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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE ABDERRAHMANE MIRA DE BEJAIA FACULTE DE TECHNOLOGIE. DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE. Mémoire DE FIN DE CYCLE En vue de l’obtention du diplôme de MASTER ELECTRONIQUE Option : Télécommunication theme Réalisé par : Encadré par : D elle DAACHI Dalila M r A.ALLICHE M r M.AZNI Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire 2011-2012

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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE LrsquoENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE ABDERRAHMANE MIRA DE BEJAIA

FACULTE DE TECHNOLOGIE

DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE

Meacutemoire DE FIN DE CYCLE

En vue de lrsquoobtention du diplocircme de

MASTER ELECTRONIQUE

Option Teacuteleacutecommunication

theme

Reacutealiseacute par Encadreacute par Delle DAACHI Dalila Mr AALLICHE

Mr MAZNI

Etude des systegravemesMIMO-OFDMcommunication sans

fil

Anneacutee universitaire2011-2012

N Figure Page

01 Classification des reacuteseaux sans fil

02 Exemple drsquoarchitecture WLAN

03 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

04 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

05 Processus de transmission des trames

06 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

07 Systegraveme MIMO

08 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

09 scheacutema de preacute-codage et post-codage

10 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

11 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

12 scheacutema de code drsquoAlamouti

13 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

14 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

15 le scheacutema de la modulation BPSK

16 scheacutema de la modulation QPSK

17 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

18 de principe du modulateur OFDM

19 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

20 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

21 Insertion drsquoun intervalle de garde D

22 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

23 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

24 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

25 Donneacutees numirique avant codage

26 Entreleceur tregraves simple

27 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

28 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

29 du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

30 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine

de cosinus sureacuteleveacute

31 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser

par les systegravemes (22) et (33) lorsque le RSB important

32 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour

diffeacuterentes modulations MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

SommaireIntroduction geacuteneacuterale helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

ILes reacuteseaux sans fil

I1 Introduction 3

I4 Types de reacuteseaux sans fil 3

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN) 4

I211 Bluetooth 4

I212 HomeRF 5

I213 ZigBee 5

I214 Liaisons infrarouges 5

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN) 5

I221 WiFi 6

I222 HiperLAN 6

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN) 7

I231 WiMAX 7

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN) 7

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi 8

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi 8

I32 Architecteur logique de WiFi 10

I321 La couche liaison de donneacutees 11

I322 La couche physique 13

I4 Conclusion 14

II Les systegravemes MIMO

II1 Introduction 15

II2 Principe de MIMO 15

II3 Modegravele de canal MIMO 16

II4 Capaciteacute du canal MIMO 17

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD 18

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur 20

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur 20

II5 Codage spatio-temporel 20

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT) 21

II 52 Codes spatio-temporels par bloc 22

II6 multiplexage spatial 24

II7 Notion de diversiteacute 25

II71 Diversiteacute temporelle 25

II72 Diversiteacute freacutequentielle 26

II73 Diversiteacute spatiale 26

II74 Diversiteacute de polarisation 26

II8 Conclusion 27

III1 Introduction 28

III OFDM et MIMO -OFDM

III2 Principes de la modulation 28

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying) 29

II22 QPSK Quadrature Phase-Shift Keying 29

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation 30

III3 Principes de la modulation multi porteuse 30

III4 Deacutemodulation 33

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles 34

III51 Intervalle de garde 34

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM 36

Conclusion 38

III La simulation de systegravema MIMO-OFDM

IV1 Introduction 43

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a) 43

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission 44

IV31 Codage Convolutif 45

IV32 Entrelacement 45

IV33 Mappeur 46

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM 47

IV35 IFFT 48

IV36 insertion de preacutefixe cyclique 48

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage 48

IV4 chaine de reacuteception 50

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage 50

IV42 FFT 50

IV43 Deacutecodage 50

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur 51

IV6 Le canal 51

IV7 Reacutesultat de simulation 52

IV8 Conclusion 54

Conclusion et perspectives 56

Introduction geacuteneacuterale

Le domaine de teacuteleacutecommunication nrsquoa cesseacute drsquoeacutevoluer durant ces derniegraveres

deacutecennies Ces eacutevolutions sont lieacutees agrave lrsquoapparition et le deacuteveloppement de nombreux

services comme la voie sur IP (VOIP) la visioconfeacuterence la videacuteo agrave la demande et

drsquoautres applications multimeacutedia gourmandes en termes de deacutebit

Les applications agrave la norme IEEE 80211 (WiFi) sont devenu de plus en plus

nombreux drsquoougrave la neacutecessiteacute drsquoavoir des deacutebits de transmission plus importants

Cependant les ingeacutenieures de conception des systegraveme de communication radio sont

geacuteneacuteralement confronteacutes agrave des nombreux challenges parmi ceux-ci nous citons la

limitation de la bande freacutequentielle du canal les variations complexes de

lrsquoenvironnement de propagation [eacutevanouissement et trajets multiples] etc pour une

meilleure qualiteacutes de service la technologie wifi est associeacutee a des modulations haut

deacutebit telle que lrsquoOFDM[Orthogonal Frequency Division Multiplexing] ainsi qursquoa des

techniques de traitement drsquoantennes telle que le MIMO[Multiple Input Multiple Output ]

qui permettent drsquoexploiter efficacement les ressources radio disponibles

Au cœur des derniegraveres anneacutees la modulation OFDM a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et ameacutelioreacutee elle

est preacutesentement utiliseacutes dans les normes 80211 a g n et 802516 [22] Les systegravemes

OFDM sont particuliegraverement performants et robustes reacutesistent aux deacuteformations

causeacutees par le canalla deacutetection du signal est donc simplifieacutee agrave lrsquoOFDM nous deacutesirent

jumeler les avantages des systegravemes agrave plusieurs antennes sont appelles systegravemes MIMO

(multi-input multi-output) Il srsquoagit drsquoutiliser antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception afin

de maximiser le nombre de canaux diffeacuterents ce qui permettrait de diminuer le taux drsquo

erreur ou drsquoaugmenter le deacutebit transfert de donneacutees Solon la configuration choisie Les

systegravemes MIMO-OFDM sont au cœur de nombreuses recherches en teacuteleacutecommunications

Comme tous les autres systegravemes de communication ils sont affecteacutes par des

interfeacuterences qui nous deacutesirons eacuteliminer Eacutevidemment en pratique aucun systegraveme ne

peut complegravetement les eacuteliminer lrsquoobjectif est donc de les minimiser

Dans ce meacutemoire notre objectif consiste agrave transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au

reacutecepteur qui passe dans un canal MIMO et utilise une modulation OFDM eacutegalement

ameacuteliorer la robustesse de la transmission radio par une exploitation optimale de la

diversiteacute spatiale preacutesente Les codes espaces temps reacutepondent bien a cette attente En

effet reacutecemment lrsquoapplication des codes espace-temps a des systegravemes a antennes

Introduction geacuteneacuterale

multiples a montre une ameacutelioration remarquable en terme drsquoefficaciteacute spectrale et de

taux drsquoerreur binaire

Ce meacutemoire se compose de quatre chapitres qui se partissent comme suit

Le premier chapitre propose quelque geacuteneacuteraliteacutes sur les diffeacuterents types de reacuteseaux

sans fils et plus particulaire la norme IEEE 80211Ensuite le second chapitre introduit

les systegravemes MIMO que sont utiliseacutees plusieurs antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception et

les diffeacuterentes notions de la diversiteacute Puis le troisiegraveme chapitre est consacreacute a la

modulation deacutemodulation OFDM et preacutesentation drsquoune chaine de communication

MIMO-OFDM

Finalement le quatriegraveme chapitre preacutesenter le principe de chaque bloc de la chaine de

transmission qui est deacutecrit dans le chapitre preacuteceacutedent et impleacutementeacute sous matlabreg

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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ISBN 2-7462-0883-0

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

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Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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N Figure Page

01 Classification des reacuteseaux sans fil

02 Exemple drsquoarchitecture WLAN

03 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

04 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

05 Processus de transmission des trames

06 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

07 Systegraveme MIMO

08 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

09 scheacutema de preacute-codage et post-codage

10 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

11 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

12 scheacutema de code drsquoAlamouti

13 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

14 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

15 le scheacutema de la modulation BPSK

16 scheacutema de la modulation QPSK

17 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

18 de principe du modulateur OFDM

19 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

20 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

21 Insertion drsquoun intervalle de garde D

22 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

23 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

24 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

25 Donneacutees numirique avant codage

26 Entreleceur tregraves simple

27 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

28 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

29 du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

30 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine

de cosinus sureacuteleveacute

31 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser

par les systegravemes (22) et (33) lorsque le RSB important

32 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour

diffeacuterentes modulations MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

SommaireIntroduction geacuteneacuterale helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

ILes reacuteseaux sans fil

I1 Introduction 3

I4 Types de reacuteseaux sans fil 3

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN) 4

I211 Bluetooth 4

I212 HomeRF 5

I213 ZigBee 5

I214 Liaisons infrarouges 5

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN) 5

I221 WiFi 6

I222 HiperLAN 6

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN) 7

I231 WiMAX 7

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN) 7

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi 8

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi 8

I32 Architecteur logique de WiFi 10

I321 La couche liaison de donneacutees 11

I322 La couche physique 13

I4 Conclusion 14

II Les systegravemes MIMO

II1 Introduction 15

II2 Principe de MIMO 15

II3 Modegravele de canal MIMO 16

II4 Capaciteacute du canal MIMO 17

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD 18

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur 20

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur 20

II5 Codage spatio-temporel 20

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT) 21

II 52 Codes spatio-temporels par bloc 22

II6 multiplexage spatial 24

II7 Notion de diversiteacute 25

II71 Diversiteacute temporelle 25

II72 Diversiteacute freacutequentielle 26

II73 Diversiteacute spatiale 26

II74 Diversiteacute de polarisation 26

II8 Conclusion 27

III1 Introduction 28

III OFDM et MIMO -OFDM

III2 Principes de la modulation 28

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying) 29

II22 QPSK Quadrature Phase-Shift Keying 29

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation 30

III3 Principes de la modulation multi porteuse 30

III4 Deacutemodulation 33

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles 34

III51 Intervalle de garde 34

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM 36

Conclusion 38

III La simulation de systegravema MIMO-OFDM

IV1 Introduction 43

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a) 43

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission 44

IV31 Codage Convolutif 45

IV32 Entrelacement 45

IV33 Mappeur 46

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM 47

IV35 IFFT 48

IV36 insertion de preacutefixe cyclique 48

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage 48

IV4 chaine de reacuteception 50

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage 50

IV42 FFT 50

IV43 Deacutecodage 50

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur 51

IV6 Le canal 51

IV7 Reacutesultat de simulation 52

IV8 Conclusion 54

Conclusion et perspectives 56

Introduction geacuteneacuterale

Le domaine de teacuteleacutecommunication nrsquoa cesseacute drsquoeacutevoluer durant ces derniegraveres

deacutecennies Ces eacutevolutions sont lieacutees agrave lrsquoapparition et le deacuteveloppement de nombreux

services comme la voie sur IP (VOIP) la visioconfeacuterence la videacuteo agrave la demande et

drsquoautres applications multimeacutedia gourmandes en termes de deacutebit

Les applications agrave la norme IEEE 80211 (WiFi) sont devenu de plus en plus

nombreux drsquoougrave la neacutecessiteacute drsquoavoir des deacutebits de transmission plus importants

Cependant les ingeacutenieures de conception des systegraveme de communication radio sont

geacuteneacuteralement confronteacutes agrave des nombreux challenges parmi ceux-ci nous citons la

limitation de la bande freacutequentielle du canal les variations complexes de

lrsquoenvironnement de propagation [eacutevanouissement et trajets multiples] etc pour une

meilleure qualiteacutes de service la technologie wifi est associeacutee a des modulations haut

deacutebit telle que lrsquoOFDM[Orthogonal Frequency Division Multiplexing] ainsi qursquoa des

techniques de traitement drsquoantennes telle que le MIMO[Multiple Input Multiple Output ]

qui permettent drsquoexploiter efficacement les ressources radio disponibles

Au cœur des derniegraveres anneacutees la modulation OFDM a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et ameacutelioreacutee elle

est preacutesentement utiliseacutes dans les normes 80211 a g n et 802516 [22] Les systegravemes

OFDM sont particuliegraverement performants et robustes reacutesistent aux deacuteformations

causeacutees par le canalla deacutetection du signal est donc simplifieacutee agrave lrsquoOFDM nous deacutesirent

jumeler les avantages des systegravemes agrave plusieurs antennes sont appelles systegravemes MIMO

(multi-input multi-output) Il srsquoagit drsquoutiliser antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception afin

de maximiser le nombre de canaux diffeacuterents ce qui permettrait de diminuer le taux drsquo

erreur ou drsquoaugmenter le deacutebit transfert de donneacutees Solon la configuration choisie Les

systegravemes MIMO-OFDM sont au cœur de nombreuses recherches en teacuteleacutecommunications

Comme tous les autres systegravemes de communication ils sont affecteacutes par des

interfeacuterences qui nous deacutesirons eacuteliminer Eacutevidemment en pratique aucun systegraveme ne

peut complegravetement les eacuteliminer lrsquoobjectif est donc de les minimiser

Dans ce meacutemoire notre objectif consiste agrave transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au

reacutecepteur qui passe dans un canal MIMO et utilise une modulation OFDM eacutegalement

ameacuteliorer la robustesse de la transmission radio par une exploitation optimale de la

diversiteacute spatiale preacutesente Les codes espaces temps reacutepondent bien a cette attente En

effet reacutecemment lrsquoapplication des codes espace-temps a des systegravemes a antennes

Introduction geacuteneacuterale

multiples a montre une ameacutelioration remarquable en terme drsquoefficaciteacute spectrale et de

taux drsquoerreur binaire

Ce meacutemoire se compose de quatre chapitres qui se partissent comme suit

Le premier chapitre propose quelque geacuteneacuteraliteacutes sur les diffeacuterents types de reacuteseaux

sans fils et plus particulaire la norme IEEE 80211Ensuite le second chapitre introduit

les systegravemes MIMO que sont utiliseacutees plusieurs antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception et

les diffeacuterentes notions de la diversiteacute Puis le troisiegraveme chapitre est consacreacute a la

modulation deacutemodulation OFDM et preacutesentation drsquoune chaine de communication

MIMO-OFDM

Finalement le quatriegraveme chapitre preacutesenter le principe de chaque bloc de la chaine de

transmission qui est deacutecrit dans le chapitre preacuteceacutedent et impleacutementeacute sous matlabreg

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 3: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

31 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser

par les systegravemes (22) et (33) lorsque le RSB important

32 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour

diffeacuterentes modulations MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

SommaireIntroduction geacuteneacuterale helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

ILes reacuteseaux sans fil

I1 Introduction 3

I4 Types de reacuteseaux sans fil 3

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN) 4

I211 Bluetooth 4

I212 HomeRF 5

I213 ZigBee 5

I214 Liaisons infrarouges 5

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN) 5

I221 WiFi 6

I222 HiperLAN 6

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN) 7

I231 WiMAX 7

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN) 7

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi 8

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi 8

I32 Architecteur logique de WiFi 10

I321 La couche liaison de donneacutees 11

I322 La couche physique 13

I4 Conclusion 14

II Les systegravemes MIMO

II1 Introduction 15

II2 Principe de MIMO 15

II3 Modegravele de canal MIMO 16

II4 Capaciteacute du canal MIMO 17

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD 18

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur 20

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur 20

II5 Codage spatio-temporel 20

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT) 21

II 52 Codes spatio-temporels par bloc 22

II6 multiplexage spatial 24

II7 Notion de diversiteacute 25

II71 Diversiteacute temporelle 25

II72 Diversiteacute freacutequentielle 26

II73 Diversiteacute spatiale 26

II74 Diversiteacute de polarisation 26

II8 Conclusion 27

III1 Introduction 28

III OFDM et MIMO -OFDM

III2 Principes de la modulation 28

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying) 29

II22 QPSK Quadrature Phase-Shift Keying 29

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation 30

III3 Principes de la modulation multi porteuse 30

III4 Deacutemodulation 33

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles 34

III51 Intervalle de garde 34

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM 36

Conclusion 38

III La simulation de systegravema MIMO-OFDM

IV1 Introduction 43

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a) 43

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission 44

IV31 Codage Convolutif 45

IV32 Entrelacement 45

IV33 Mappeur 46

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM 47

IV35 IFFT 48

IV36 insertion de preacutefixe cyclique 48

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage 48

IV4 chaine de reacuteception 50

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage 50

IV42 FFT 50

IV43 Deacutecodage 50

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur 51

IV6 Le canal 51

IV7 Reacutesultat de simulation 52

IV8 Conclusion 54

Conclusion et perspectives 56

Introduction geacuteneacuterale

Le domaine de teacuteleacutecommunication nrsquoa cesseacute drsquoeacutevoluer durant ces derniegraveres

deacutecennies Ces eacutevolutions sont lieacutees agrave lrsquoapparition et le deacuteveloppement de nombreux

services comme la voie sur IP (VOIP) la visioconfeacuterence la videacuteo agrave la demande et

drsquoautres applications multimeacutedia gourmandes en termes de deacutebit

Les applications agrave la norme IEEE 80211 (WiFi) sont devenu de plus en plus

nombreux drsquoougrave la neacutecessiteacute drsquoavoir des deacutebits de transmission plus importants

Cependant les ingeacutenieures de conception des systegraveme de communication radio sont

geacuteneacuteralement confronteacutes agrave des nombreux challenges parmi ceux-ci nous citons la

limitation de la bande freacutequentielle du canal les variations complexes de

lrsquoenvironnement de propagation [eacutevanouissement et trajets multiples] etc pour une

meilleure qualiteacutes de service la technologie wifi est associeacutee a des modulations haut

deacutebit telle que lrsquoOFDM[Orthogonal Frequency Division Multiplexing] ainsi qursquoa des

techniques de traitement drsquoantennes telle que le MIMO[Multiple Input Multiple Output ]

qui permettent drsquoexploiter efficacement les ressources radio disponibles

Au cœur des derniegraveres anneacutees la modulation OFDM a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et ameacutelioreacutee elle

est preacutesentement utiliseacutes dans les normes 80211 a g n et 802516 [22] Les systegravemes

OFDM sont particuliegraverement performants et robustes reacutesistent aux deacuteformations

causeacutees par le canalla deacutetection du signal est donc simplifieacutee agrave lrsquoOFDM nous deacutesirent

jumeler les avantages des systegravemes agrave plusieurs antennes sont appelles systegravemes MIMO

(multi-input multi-output) Il srsquoagit drsquoutiliser antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception afin

de maximiser le nombre de canaux diffeacuterents ce qui permettrait de diminuer le taux drsquo

erreur ou drsquoaugmenter le deacutebit transfert de donneacutees Solon la configuration choisie Les

systegravemes MIMO-OFDM sont au cœur de nombreuses recherches en teacuteleacutecommunications

Comme tous les autres systegravemes de communication ils sont affecteacutes par des

interfeacuterences qui nous deacutesirons eacuteliminer Eacutevidemment en pratique aucun systegraveme ne

peut complegravetement les eacuteliminer lrsquoobjectif est donc de les minimiser

Dans ce meacutemoire notre objectif consiste agrave transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au

reacutecepteur qui passe dans un canal MIMO et utilise une modulation OFDM eacutegalement

ameacuteliorer la robustesse de la transmission radio par une exploitation optimale de la

diversiteacute spatiale preacutesente Les codes espaces temps reacutepondent bien a cette attente En

effet reacutecemment lrsquoapplication des codes espace-temps a des systegravemes a antennes

Introduction geacuteneacuterale

multiples a montre une ameacutelioration remarquable en terme drsquoefficaciteacute spectrale et de

taux drsquoerreur binaire

Ce meacutemoire se compose de quatre chapitres qui se partissent comme suit

Le premier chapitre propose quelque geacuteneacuteraliteacutes sur les diffeacuterents types de reacuteseaux

sans fils et plus particulaire la norme IEEE 80211Ensuite le second chapitre introduit

les systegravemes MIMO que sont utiliseacutees plusieurs antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception et

les diffeacuterentes notions de la diversiteacute Puis le troisiegraveme chapitre est consacreacute a la

modulation deacutemodulation OFDM et preacutesentation drsquoune chaine de communication

MIMO-OFDM

Finalement le quatriegraveme chapitre preacutesenter le principe de chaque bloc de la chaine de

transmission qui est deacutecrit dans le chapitre preacuteceacutedent et impleacutementeacute sous matlabreg

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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SommaireIntroduction geacuteneacuterale helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip1

ILes reacuteseaux sans fil

I1 Introduction 3

I4 Types de reacuteseaux sans fil 3

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN) 4

I211 Bluetooth 4

I212 HomeRF 5

I213 ZigBee 5

I214 Liaisons infrarouges 5

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN) 5

I221 WiFi 6

I222 HiperLAN 6

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN) 7

I231 WiMAX 7

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN) 7

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi 8

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi 8

I32 Architecteur logique de WiFi 10

I321 La couche liaison de donneacutees 11

I322 La couche physique 13

I4 Conclusion 14

II Les systegravemes MIMO

II1 Introduction 15

II2 Principe de MIMO 15

II3 Modegravele de canal MIMO 16

II4 Capaciteacute du canal MIMO 17

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD 18

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur 20

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur 20

II5 Codage spatio-temporel 20

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT) 21

II 52 Codes spatio-temporels par bloc 22

II6 multiplexage spatial 24

II7 Notion de diversiteacute 25

II71 Diversiteacute temporelle 25

II72 Diversiteacute freacutequentielle 26

II73 Diversiteacute spatiale 26

II74 Diversiteacute de polarisation 26

II8 Conclusion 27

III1 Introduction 28

III OFDM et MIMO -OFDM

III2 Principes de la modulation 28

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying) 29

II22 QPSK Quadrature Phase-Shift Keying 29

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation 30

III3 Principes de la modulation multi porteuse 30

III4 Deacutemodulation 33

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles 34

III51 Intervalle de garde 34

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM 36

Conclusion 38

III La simulation de systegravema MIMO-OFDM

IV1 Introduction 43

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a) 43

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission 44

IV31 Codage Convolutif 45

IV32 Entrelacement 45

IV33 Mappeur 46

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM 47

IV35 IFFT 48

IV36 insertion de preacutefixe cyclique 48

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage 48

IV4 chaine de reacuteception 50

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage 50

IV42 FFT 50

IV43 Deacutecodage 50

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur 51

IV6 Le canal 51

IV7 Reacutesultat de simulation 52

IV8 Conclusion 54

Conclusion et perspectives 56

Introduction geacuteneacuterale

Le domaine de teacuteleacutecommunication nrsquoa cesseacute drsquoeacutevoluer durant ces derniegraveres

deacutecennies Ces eacutevolutions sont lieacutees agrave lrsquoapparition et le deacuteveloppement de nombreux

services comme la voie sur IP (VOIP) la visioconfeacuterence la videacuteo agrave la demande et

drsquoautres applications multimeacutedia gourmandes en termes de deacutebit

Les applications agrave la norme IEEE 80211 (WiFi) sont devenu de plus en plus

nombreux drsquoougrave la neacutecessiteacute drsquoavoir des deacutebits de transmission plus importants

Cependant les ingeacutenieures de conception des systegraveme de communication radio sont

geacuteneacuteralement confronteacutes agrave des nombreux challenges parmi ceux-ci nous citons la

limitation de la bande freacutequentielle du canal les variations complexes de

lrsquoenvironnement de propagation [eacutevanouissement et trajets multiples] etc pour une

meilleure qualiteacutes de service la technologie wifi est associeacutee a des modulations haut

deacutebit telle que lrsquoOFDM[Orthogonal Frequency Division Multiplexing] ainsi qursquoa des

techniques de traitement drsquoantennes telle que le MIMO[Multiple Input Multiple Output ]

qui permettent drsquoexploiter efficacement les ressources radio disponibles

Au cœur des derniegraveres anneacutees la modulation OFDM a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et ameacutelioreacutee elle

est preacutesentement utiliseacutes dans les normes 80211 a g n et 802516 [22] Les systegravemes

OFDM sont particuliegraverement performants et robustes reacutesistent aux deacuteformations

causeacutees par le canalla deacutetection du signal est donc simplifieacutee agrave lrsquoOFDM nous deacutesirent

jumeler les avantages des systegravemes agrave plusieurs antennes sont appelles systegravemes MIMO

(multi-input multi-output) Il srsquoagit drsquoutiliser antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception afin

de maximiser le nombre de canaux diffeacuterents ce qui permettrait de diminuer le taux drsquo

erreur ou drsquoaugmenter le deacutebit transfert de donneacutees Solon la configuration choisie Les

systegravemes MIMO-OFDM sont au cœur de nombreuses recherches en teacuteleacutecommunications

Comme tous les autres systegravemes de communication ils sont affecteacutes par des

interfeacuterences qui nous deacutesirons eacuteliminer Eacutevidemment en pratique aucun systegraveme ne

peut complegravetement les eacuteliminer lrsquoobjectif est donc de les minimiser

Dans ce meacutemoire notre objectif consiste agrave transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au

reacutecepteur qui passe dans un canal MIMO et utilise une modulation OFDM eacutegalement

ameacuteliorer la robustesse de la transmission radio par une exploitation optimale de la

diversiteacute spatiale preacutesente Les codes espaces temps reacutepondent bien a cette attente En

effet reacutecemment lrsquoapplication des codes espace-temps a des systegravemes a antennes

Introduction geacuteneacuterale

multiples a montre une ameacutelioration remarquable en terme drsquoefficaciteacute spectrale et de

taux drsquoerreur binaire

Ce meacutemoire se compose de quatre chapitres qui se partissent comme suit

Le premier chapitre propose quelque geacuteneacuteraliteacutes sur les diffeacuterents types de reacuteseaux

sans fils et plus particulaire la norme IEEE 80211Ensuite le second chapitre introduit

les systegravemes MIMO que sont utiliseacutees plusieurs antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception et

les diffeacuterentes notions de la diversiteacute Puis le troisiegraveme chapitre est consacreacute a la

modulation deacutemodulation OFDM et preacutesentation drsquoune chaine de communication

MIMO-OFDM

Finalement le quatriegraveme chapitre preacutesenter le principe de chaque bloc de la chaine de

transmission qui est deacutecrit dans le chapitre preacuteceacutedent et impleacutementeacute sous matlabreg

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

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ISBN 2-7462-0883-0

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

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Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 5: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

II 52 Codes spatio-temporels par bloc 22

II6 multiplexage spatial 24

II7 Notion de diversiteacute 25

II71 Diversiteacute temporelle 25

II72 Diversiteacute freacutequentielle 26

II73 Diversiteacute spatiale 26

II74 Diversiteacute de polarisation 26

II8 Conclusion 27

III1 Introduction 28

III OFDM et MIMO -OFDM

III2 Principes de la modulation 28

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying) 29

II22 QPSK Quadrature Phase-Shift Keying 29

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation 30

III3 Principes de la modulation multi porteuse 30

III4 Deacutemodulation 33

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles 34

III51 Intervalle de garde 34

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM 36

Conclusion 38

III La simulation de systegravema MIMO-OFDM

IV1 Introduction 43

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a) 43

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission 44

IV31 Codage Convolutif 45

IV32 Entrelacement 45

IV33 Mappeur 46

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM 47

IV35 IFFT 48

IV36 insertion de preacutefixe cyclique 48

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage 48

IV4 chaine de reacuteception 50

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage 50

IV42 FFT 50

IV43 Deacutecodage 50

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur 51

IV6 Le canal 51

IV7 Reacutesultat de simulation 52

IV8 Conclusion 54

Conclusion et perspectives 56

Introduction geacuteneacuterale

Le domaine de teacuteleacutecommunication nrsquoa cesseacute drsquoeacutevoluer durant ces derniegraveres

deacutecennies Ces eacutevolutions sont lieacutees agrave lrsquoapparition et le deacuteveloppement de nombreux

services comme la voie sur IP (VOIP) la visioconfeacuterence la videacuteo agrave la demande et

drsquoautres applications multimeacutedia gourmandes en termes de deacutebit

Les applications agrave la norme IEEE 80211 (WiFi) sont devenu de plus en plus

nombreux drsquoougrave la neacutecessiteacute drsquoavoir des deacutebits de transmission plus importants

Cependant les ingeacutenieures de conception des systegraveme de communication radio sont

geacuteneacuteralement confronteacutes agrave des nombreux challenges parmi ceux-ci nous citons la

limitation de la bande freacutequentielle du canal les variations complexes de

lrsquoenvironnement de propagation [eacutevanouissement et trajets multiples] etc pour une

meilleure qualiteacutes de service la technologie wifi est associeacutee a des modulations haut

deacutebit telle que lrsquoOFDM[Orthogonal Frequency Division Multiplexing] ainsi qursquoa des

techniques de traitement drsquoantennes telle que le MIMO[Multiple Input Multiple Output ]

qui permettent drsquoexploiter efficacement les ressources radio disponibles

Au cœur des derniegraveres anneacutees la modulation OFDM a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et ameacutelioreacutee elle

est preacutesentement utiliseacutes dans les normes 80211 a g n et 802516 [22] Les systegravemes

OFDM sont particuliegraverement performants et robustes reacutesistent aux deacuteformations

causeacutees par le canalla deacutetection du signal est donc simplifieacutee agrave lrsquoOFDM nous deacutesirent

jumeler les avantages des systegravemes agrave plusieurs antennes sont appelles systegravemes MIMO

(multi-input multi-output) Il srsquoagit drsquoutiliser antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception afin

de maximiser le nombre de canaux diffeacuterents ce qui permettrait de diminuer le taux drsquo

erreur ou drsquoaugmenter le deacutebit transfert de donneacutees Solon la configuration choisie Les

systegravemes MIMO-OFDM sont au cœur de nombreuses recherches en teacuteleacutecommunications

Comme tous les autres systegravemes de communication ils sont affecteacutes par des

interfeacuterences qui nous deacutesirons eacuteliminer Eacutevidemment en pratique aucun systegraveme ne

peut complegravetement les eacuteliminer lrsquoobjectif est donc de les minimiser

Dans ce meacutemoire notre objectif consiste agrave transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au

reacutecepteur qui passe dans un canal MIMO et utilise une modulation OFDM eacutegalement

ameacuteliorer la robustesse de la transmission radio par une exploitation optimale de la

diversiteacute spatiale preacutesente Les codes espaces temps reacutepondent bien a cette attente En

effet reacutecemment lrsquoapplication des codes espace-temps a des systegravemes a antennes

Introduction geacuteneacuterale

multiples a montre une ameacutelioration remarquable en terme drsquoefficaciteacute spectrale et de

taux drsquoerreur binaire

Ce meacutemoire se compose de quatre chapitres qui se partissent comme suit

Le premier chapitre propose quelque geacuteneacuteraliteacutes sur les diffeacuterents types de reacuteseaux

sans fils et plus particulaire la norme IEEE 80211Ensuite le second chapitre introduit

les systegravemes MIMO que sont utiliseacutees plusieurs antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception et

les diffeacuterentes notions de la diversiteacute Puis le troisiegraveme chapitre est consacreacute a la

modulation deacutemodulation OFDM et preacutesentation drsquoune chaine de communication

MIMO-OFDM

Finalement le quatriegraveme chapitre preacutesenter le principe de chaque bloc de la chaine de

transmission qui est deacutecrit dans le chapitre preacuteceacutedent et impleacutementeacute sous matlabreg

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 6: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

IV43 Deacutecodage 50

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur 51

IV6 Le canal 51

IV7 Reacutesultat de simulation 52

IV8 Conclusion 54

Conclusion et perspectives 56

Introduction geacuteneacuterale

Le domaine de teacuteleacutecommunication nrsquoa cesseacute drsquoeacutevoluer durant ces derniegraveres

deacutecennies Ces eacutevolutions sont lieacutees agrave lrsquoapparition et le deacuteveloppement de nombreux

services comme la voie sur IP (VOIP) la visioconfeacuterence la videacuteo agrave la demande et

drsquoautres applications multimeacutedia gourmandes en termes de deacutebit

Les applications agrave la norme IEEE 80211 (WiFi) sont devenu de plus en plus

nombreux drsquoougrave la neacutecessiteacute drsquoavoir des deacutebits de transmission plus importants

Cependant les ingeacutenieures de conception des systegraveme de communication radio sont

geacuteneacuteralement confronteacutes agrave des nombreux challenges parmi ceux-ci nous citons la

limitation de la bande freacutequentielle du canal les variations complexes de

lrsquoenvironnement de propagation [eacutevanouissement et trajets multiples] etc pour une

meilleure qualiteacutes de service la technologie wifi est associeacutee a des modulations haut

deacutebit telle que lrsquoOFDM[Orthogonal Frequency Division Multiplexing] ainsi qursquoa des

techniques de traitement drsquoantennes telle que le MIMO[Multiple Input Multiple Output ]

qui permettent drsquoexploiter efficacement les ressources radio disponibles

Au cœur des derniegraveres anneacutees la modulation OFDM a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et ameacutelioreacutee elle

est preacutesentement utiliseacutes dans les normes 80211 a g n et 802516 [22] Les systegravemes

OFDM sont particuliegraverement performants et robustes reacutesistent aux deacuteformations

causeacutees par le canalla deacutetection du signal est donc simplifieacutee agrave lrsquoOFDM nous deacutesirent

jumeler les avantages des systegravemes agrave plusieurs antennes sont appelles systegravemes MIMO

(multi-input multi-output) Il srsquoagit drsquoutiliser antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception afin

de maximiser le nombre de canaux diffeacuterents ce qui permettrait de diminuer le taux drsquo

erreur ou drsquoaugmenter le deacutebit transfert de donneacutees Solon la configuration choisie Les

systegravemes MIMO-OFDM sont au cœur de nombreuses recherches en teacuteleacutecommunications

Comme tous les autres systegravemes de communication ils sont affecteacutes par des

interfeacuterences qui nous deacutesirons eacuteliminer Eacutevidemment en pratique aucun systegraveme ne

peut complegravetement les eacuteliminer lrsquoobjectif est donc de les minimiser

Dans ce meacutemoire notre objectif consiste agrave transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au

reacutecepteur qui passe dans un canal MIMO et utilise une modulation OFDM eacutegalement

ameacuteliorer la robustesse de la transmission radio par une exploitation optimale de la

diversiteacute spatiale preacutesente Les codes espaces temps reacutepondent bien a cette attente En

effet reacutecemment lrsquoapplication des codes espace-temps a des systegravemes a antennes

Introduction geacuteneacuterale

multiples a montre une ameacutelioration remarquable en terme drsquoefficaciteacute spectrale et de

taux drsquoerreur binaire

Ce meacutemoire se compose de quatre chapitres qui se partissent comme suit

Le premier chapitre propose quelque geacuteneacuteraliteacutes sur les diffeacuterents types de reacuteseaux

sans fils et plus particulaire la norme IEEE 80211Ensuite le second chapitre introduit

les systegravemes MIMO que sont utiliseacutees plusieurs antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception et

les diffeacuterentes notions de la diversiteacute Puis le troisiegraveme chapitre est consacreacute a la

modulation deacutemodulation OFDM et preacutesentation drsquoune chaine de communication

MIMO-OFDM

Finalement le quatriegraveme chapitre preacutesenter le principe de chaque bloc de la chaine de

transmission qui est deacutecrit dans le chapitre preacuteceacutedent et impleacutementeacute sous matlabreg

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

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Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

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MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 7: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Introduction geacuteneacuterale

Le domaine de teacuteleacutecommunication nrsquoa cesseacute drsquoeacutevoluer durant ces derniegraveres

deacutecennies Ces eacutevolutions sont lieacutees agrave lrsquoapparition et le deacuteveloppement de nombreux

services comme la voie sur IP (VOIP) la visioconfeacuterence la videacuteo agrave la demande et

drsquoautres applications multimeacutedia gourmandes en termes de deacutebit

Les applications agrave la norme IEEE 80211 (WiFi) sont devenu de plus en plus

nombreux drsquoougrave la neacutecessiteacute drsquoavoir des deacutebits de transmission plus importants

Cependant les ingeacutenieures de conception des systegraveme de communication radio sont

geacuteneacuteralement confronteacutes agrave des nombreux challenges parmi ceux-ci nous citons la

limitation de la bande freacutequentielle du canal les variations complexes de

lrsquoenvironnement de propagation [eacutevanouissement et trajets multiples] etc pour une

meilleure qualiteacutes de service la technologie wifi est associeacutee a des modulations haut

deacutebit telle que lrsquoOFDM[Orthogonal Frequency Division Multiplexing] ainsi qursquoa des

techniques de traitement drsquoantennes telle que le MIMO[Multiple Input Multiple Output ]

qui permettent drsquoexploiter efficacement les ressources radio disponibles

Au cœur des derniegraveres anneacutees la modulation OFDM a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et ameacutelioreacutee elle

est preacutesentement utiliseacutes dans les normes 80211 a g n et 802516 [22] Les systegravemes

OFDM sont particuliegraverement performants et robustes reacutesistent aux deacuteformations

causeacutees par le canalla deacutetection du signal est donc simplifieacutee agrave lrsquoOFDM nous deacutesirent

jumeler les avantages des systegravemes agrave plusieurs antennes sont appelles systegravemes MIMO

(multi-input multi-output) Il srsquoagit drsquoutiliser antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception afin

de maximiser le nombre de canaux diffeacuterents ce qui permettrait de diminuer le taux drsquo

erreur ou drsquoaugmenter le deacutebit transfert de donneacutees Solon la configuration choisie Les

systegravemes MIMO-OFDM sont au cœur de nombreuses recherches en teacuteleacutecommunications

Comme tous les autres systegravemes de communication ils sont affecteacutes par des

interfeacuterences qui nous deacutesirons eacuteliminer Eacutevidemment en pratique aucun systegraveme ne

peut complegravetement les eacuteliminer lrsquoobjectif est donc de les minimiser

Dans ce meacutemoire notre objectif consiste agrave transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au

reacutecepteur qui passe dans un canal MIMO et utilise une modulation OFDM eacutegalement

ameacuteliorer la robustesse de la transmission radio par une exploitation optimale de la

diversiteacute spatiale preacutesente Les codes espaces temps reacutepondent bien a cette attente En

effet reacutecemment lrsquoapplication des codes espace-temps a des systegravemes a antennes

Introduction geacuteneacuterale

multiples a montre une ameacutelioration remarquable en terme drsquoefficaciteacute spectrale et de

taux drsquoerreur binaire

Ce meacutemoire se compose de quatre chapitres qui se partissent comme suit

Le premier chapitre propose quelque geacuteneacuteraliteacutes sur les diffeacuterents types de reacuteseaux

sans fils et plus particulaire la norme IEEE 80211Ensuite le second chapitre introduit

les systegravemes MIMO que sont utiliseacutees plusieurs antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception et

les diffeacuterentes notions de la diversiteacute Puis le troisiegraveme chapitre est consacreacute a la

modulation deacutemodulation OFDM et preacutesentation drsquoune chaine de communication

MIMO-OFDM

Finalement le quatriegraveme chapitre preacutesenter le principe de chaque bloc de la chaine de

transmission qui est deacutecrit dans le chapitre preacuteceacutedent et impleacutementeacute sous matlabreg

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 8: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Introduction geacuteneacuterale

multiples a montre une ameacutelioration remarquable en terme drsquoefficaciteacute spectrale et de

taux drsquoerreur binaire

Ce meacutemoire se compose de quatre chapitres qui se partissent comme suit

Le premier chapitre propose quelque geacuteneacuteraliteacutes sur les diffeacuterents types de reacuteseaux

sans fils et plus particulaire la norme IEEE 80211Ensuite le second chapitre introduit

les systegravemes MIMO que sont utiliseacutees plusieurs antennes a lrsquoeacutemission et a la reacuteception et

les diffeacuterentes notions de la diversiteacute Puis le troisiegraveme chapitre est consacreacute a la

modulation deacutemodulation OFDM et preacutesentation drsquoune chaine de communication

MIMO-OFDM

Finalement le quatriegraveme chapitre preacutesenter le principe de chaque bloc de la chaine de

transmission qui est deacutecrit dans le chapitre preacuteceacutedent et impleacutementeacute sous matlabreg

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

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Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

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MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

3

I1 Introduction

Les reacuteseaux sans fil sont en plein deacuteveloppement du fait de la flexibiliteacute de leur

interface qui permet agrave un utilisateur de changer de place tout en restant connecteacute Les

communications entre eacutequipements terminaux peuvent srsquoeffectuer directement ou par

le biais de stations de base appeleacutees points drsquoaccegraves ou AP (Access Point) Les

communications entre points drsquoaccegraves peuvent ecirctre hertziennes ou par cacircble Les deacutebits

de ces reacuteseaux se comptent en meacutegabits par seconde voire en dizaines de meacutegabits par

seconde

Les reacuteseaux sans fil permettent de relier facilement des eacutequipements distants

drsquoune dizaine de megravetres agrave quelque kilomegravetre De plus lrsquoinstallation de tels reacuteseaux ne

demande pas de lourds ameacutenagements des infrastructures existantes

Les reacuteseaux sans fil se sont deacuteveloppeacutes au deacutepart essentiellement pour reacutepondre

aux deux besoins suivants mettre en place des transmissions dans les endroits ougrave la

pose de cacircble est difficile voire impossible et assurer la transmission de donneacutees pour

des applications mobile avec la baisse des coucircts du mateacuteriel sans fil

I4 Types de reacuteseaux sans fil

Les reacuteseaux sans fil se divisent en plusieurs cateacutegories diffeacuterentes selon la taille

de la zone geacuteographique agrave couvrir (figure I 1)[7] Chacune de ces cateacutegories regroupe

diffeacuterents standards de communication permettant de relier tregraves facilement des

eacutequipements distants drsquoune dizaine de megravetres agrave quelques kilomegravetres Dans lrsquointention de

toujours offrir au client une large gamme de services tout en garantissant un deacutebit et

une qualiteacute de service meilleurs

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

4

Figure I1 Classification des reacuteseaux sans fil

I21 Reacuteseaux personnels sans fil (WPAN)

Le reacuteseau personnel sans fil WPAN (WirelessPersonal Area Network) sont des

reacuteseaux sans fil drsquoune faible porteacutee (de lrsquoordre de quelques dizaines de megravetres)[7]

Ce type de reacuteseau a pour objectifs de relier des peacuteripheacuteriques (imprimante

teacuteleacutephone portable ) agrave un ordinateur sans liaison filaire ou bien permettre la liaison

sans fil entre deux machines peu distantes entre elle Il existe plusieurs technologies

utiliseacutees pour les WPAN que nous deacutecrivons briegravevement ci-dessous

I211 Bluetooth

Bluetooth est le nom commercial relatif agrave la norme IEEE 802151 lanceacutee par

Ericsson en 1994 [11] pour les communications sans fil dans une sphegravere de 10 megravetres

de rayon autour de la personne Bluetooth proposant un deacutebit theacuteorique de 1 Mbps

preacutesente les objectfs suivants

creacuteation de points universels

remplacement des cacircbles drsquoinformation entre PC et peacuteripheacuterique (souris clavier

imprimante ports USB)

Son principal avantage est sa tregraves faible consommation drsquoeacutenergie ce qui la rend

particuliegraverement bien adapteacutee agrave une utilisation au sein de petits peacuteripheacuteriques

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 11: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

5

I212 HomeRF

HomeRF (Home Radio Frequency) lanceacutee en 1998 par le HomeRFWorking

Group [7] (formeacute notamment par les constructeurs Compaq Hewlett-Packard Intel

Siemens Motorola et Microsoft) propose un deacutebit theacuteorique de 10 Mbps avec une porteacutee

drsquoenviron 50 agrave 100 megravetres sans amplificateur La norme HomeRF a eacuteteacute abandonneacutee en

janvier 2003 notamment car les fondeurs de processeurs mettent deacutesormais de

nouvelles technologies

I213 ZigBee

ZigBee est une norme de reacuteseau sans fil de type WPAN ses avantages eacutetant par

exemple la faible consommation drsquoeacutenergie et un tregraves bas prix la rendent

particuliegraverement adapteacutee pour ecirctre directement inteacutegreacutee dans les petits appareils

eacutelectroniques [18]

La technologie Zigbee opeacuterant sur la bande de freacutequences des 24 GHz permet

drsquoobtenir des deacutebits pouvant atteindre 250 Kbs avec une porteacutee maximale de 100

megravetres environ

I214 Liaisons infrarouges

Les liaisons infrarouges permettent de creacuteer des liaisons sans fil de quelques

megravetres avec des deacutebits pouvant monter agrave quelques meacutegabitsseconde Cette technologie

est largement utiliseacutee pour les teacuteleacutecommandes mais souffre toute fois des perturbations

dues aux interfeacuterences lumineuses

I22 Reacuteseaux locaux sans fil (WLAN)

Le WLAN (Wireless Local Area Network) est comparable au reacuteseau cacircble de type

LAN il est constitueacute de points drsquoaccegraves formant une zone de couverture radio soit une

porteacutee drsquoenviron une centaine de megravetres [12] Ayant un fonctionnement cellulaire Le

WLAN permet de relier entre eux les terminaux preacutesents dans la zone de couverture agrave

partir de points drsquoaccegraves relieacutes agrave un reacuteseau fixe La principale raison de cette forte

croissance est la faciliteacute drsquoimpleacutementation drsquoun reacuteseau sans fil et la baisse des couts de

cette technologie

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

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MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

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multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

6

I221 WiFi

Nom commercial relatif agrave la norme IEEE 80211b le WiFi(pour Wireless Fidelity)

est une technologie inteacuteressante pour de nombreuses socieacuteteacutes lieacutees au monde des

teacuteleacutecoms et drsquoInternet [11] Les collectiviteacutes locales et surtout les particuliers profitent

de la faciliteacute drsquoaccegraves agrave Internet haut deacutebit lieacutee agrave cette norme Par abus de langage il

deacutesigne maintenant les diffeacuterentes deacuteclinaisons de la norme IEEE 80211 Il offre un

deacutebit theacuteorique de 11 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres

Dans le souci drsquoapporter des ameacuteliorations en termes de deacutebit seacutecuriteacute diffeacuterentes

deacuteclinaisons de la norme 80211 ont vu le jour Parmi lesquelles on retrouve

bull 80211a Gracircce agrave la technologie OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

elle peut atteindre un deacutebit de 54Mbs dans la gamme de freacutequence des 5GHz

bull 80211g elle est la norme la plus reacutepandue actuellement Elle offre un haut deacutebit (54

Mbits theacuteoriques 25 Mbits reacuteels) sur la bande de freacutequences des 24 GHz

bull 80211n Gracircce aux technologies MIMO (Multiple Input Multiple Output) et OFDM

cette norme preacutevoit un deacutebit theacuteorique pouvant atteindre les 600 Mbits (deacutebit reacuteel de

100 Mbits dans un rayon de 90 megravetres)

I222 HiperLAN

La norme HiperLAN (pour High Performance Radio LAN) a eacuteteacute lanceacutee par lrsquoETSI

(EuropeanTelecommunications Standards Institute) travaillant agrave 5 GHz [6] Elle existe

en deux versions HiperLAN1 et HiperLAN2 qui offrent respectivement des deacutebits

theacuteoriques de 20 Mbs pour une porteacutee de 50 megravetres et 54 Mbitss pour une porteacutee de

200 megravetres Une troisiegraveme version existe eacutegalement mais est destineacutee plutocirct aux

reacuteseaux WMAN Contrairement au succegraves qursquoa connu le WiFi la norme HiperLAN nrsquoa

jamais reccedilu de soutien pour le marcheacute ameacutericain

Figure I2 Exemple drsquoarchitecture WLAN

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

7

I23 Reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN)

Les reacuteseaux meacutetropolitains sans fil (WMAN pour Wireless Metropolitan Area

Network) Connus eacutegalement sous le nom Boucle Local Radio (BLR)le WMAN sont baseacutes

sur la norme IEEE 80216 et offre un deacutebit de 1 agrave 10 Mbits pour une porteacutee de 4 agrave 10

kmIls peuvent ecirctre consideacutereacutes comme un cas particulier des WWAN avec des

technologies voisinesIlssont des reacuteseaux destineacutes agrave connecter aussi bien des entreprises

que des particuliers agrave leurs opeacuterateurs (teacuteleacutephonie fixe internet teacuteleacutevision ) Le rocircle

de WMAN est de couvrir la zone dite du dernier kilomegravetre pour fournir un accegraves agrave

Internet haut deacutebit aux zones non couvertes par les technologies filaires classiques

I231 WiMAX

Le WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) est une norme

baseacutee sur le standard de transmission radio IEEE 80216 [4] Il Permet drsquoeacutemettre et de

recevoir des donneacutees dans les bandes de freacutequences radio de 2 agrave 66 GHz avec un deacutebit

maximum de 70Mbitss sur une porteacutee de 50 km

Les reacutevisions du standard IEEE 80216 se deacuteclinent en deux cateacutegories

WIMAX fixe eacutegalement appeleacute IEEE 80216-2004 est preacutevu pour un usage fixe

avec une antenne monteacutee sur un toit agrave la maniegravere drsquoune antenne TV

Le WIMAX fixe opegravere dans les bandes de freacutequence 25 GHZ et 35 GHZ pour

lesquelles une licence drsquoexploitation est neacutecessaire ainsi que la bande libre des

58 GHZ

WIMAX mobile (en anglais portable WIMAX) eacutegalement baptiseacute IEEE 80216e

preacutevoit la possibiliteacute de connecter des clients mobiles au reacuteseau internet

Le WIMAX mobile ouvre ainsi la voie agrave la teacuteleacutephonie mobile sur IP ou plus

largement agrave des services mobiles hauts deacutebit

I24 Les reacuteseaux eacutetendus sans fil (WWAN)

Les reacuteseaux WWAN (pour Wireless Wide Area Network) eacutegalement connu sous le

nom de reacuteseau cellulaire mobile affectent une bande de freacutequence agrave chacune des cellules

et reacuteutilisent cette bande de freacutequence dans les cellules suffisamment eacuteloigneacutees les unes

des autres Ils sont des reacuteseaux sans fil eacutetendus avec des couvertures agrave lrsquoeacutechelle

nationale ou mondiale

Les principes technologies utiliseacutees sont les suivant

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 14: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

8

GSM (Global System for Mobile communications) Conccedilu initialement pour le

transport de la parole le GSM a connu une premiegravere eacutevolution permettant le

transport des donneacutees en mode paquet avec des deacutebits maximum avoisinant les

115kbits

GPRS (General Packet Radio Services) Une seconde eacutevolution du GSM permettant

drsquoatteindre des deacutebits compatibles avec des applications haut deacutebit de type

multimeacutedia est connue sous le nom EDGE (Enhanced Data rate for Gsm

Evolution)

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Ce standard a eacuteteacute conccedilu

pour la transmission simultaneacutee de la voix et des donneacutees avec des deacutebits

atteignant 384kbits pour une grande mobiliteacute de lrsquoutilisateur et 2Mbits pour

une mobiliteacute reacuteduite

I3 Les reacuteseaux Wi-Fi

La norme IEEE 80211 a donneacute lieu agrave deux types de reacuteseaux sans fil ceux qui

travaillent agrave la vitesse de 11 Mbits et ceux qui montent agrave 54 Mbits [5] Les premiers se

fondent sur la norme IEEE 80211b et les seconds sur les normes IEEE 80211a et g Pour

le premier type les freacutequences choisies se situent dans la gamme des 24 GHz

Les communications peuvent se faire soit directement de station agrave station soit en

passant par une borne de concentration qui est appeleacutee point drsquoaccegraves ou AP (Access

Point)

Lrsquoaccegraves au support physique srsquoeffectue par le biais du protocole MAC interne au

niveau MAC pour tous les types de reacuteseau WiFi De nombreuses options rendent

toutefois sa mise en œuvre assez complexe Le protocole MAC se fonde sur la technique

drsquoaccegraves CSMACD

I31 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

Les reacuteseaux WiFi proviennent de la norme IEEE 80211 qui deacutefinit une

architecture cellulaire Un groupe de terminaux munis drsquoune carte drsquointerface reacuteseau

80211 srsquoassocient pour eacutetablir des communications directes [12] elles forment alors un

BSS (Basic Service Set) Notons qursquoil ne srsquoagit pas ici drsquoune BSS (Base Station Subsystem)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

9

des reacuteseaux GSM La zone occupeacutee par les terminaux drsquoun BSS peut ecirctre une BSA (Basic

Set Area) ou une cellule Comme illustreacute agrave la figure I3

Figure I3 Structure physique drsquoun reacuteseau WiFi

AP (access point) point drsquoaccegraves

BSS (Baisic Set Service) cellule de base

ESS (Extented Set Service) ensemble des cellules de base

IBSS (Independent Basic Set Service) cellule de base en mode ad-hoc

La norme 80211 offre deux modes de fonctionnement le mode infrastructure et

le mode ad-hoc [4]

Le mode infrastructure est deacutefini pour fournir aux diffeacuterentes stations des

services speacutecifiques sur une zone de couverture deacutetermineacutee par la taille du reacuteseau Les

reacuteseaux drsquoinfrastructure sont eacutetablis en utilisant des points drsquoaccegraves qui jouent le rocircle de

station de base pour un BSS [15]

Lorsque le reacuteseau est composeacute de plusieurs BSS chacun drsquoeux est relieacute agrave un systegraveme de

distribution ou DS (Distribution System) par lrsquointermeacutediaire de leur point drsquoaccegraves (AP)

respectif Un systegraveme de distribution correspond en regravegle geacuteneacuterale agrave un reacuteseau Ethernet

filaire Un groupe de BSS interconnecteacutes par un systegraveme de distribution forme un ESS

(Extented Service Set) qui nrsquoest pas tregraves diffeacuterent drsquoun sous-systegraveme radio de reacuteseau de

mobile

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 16: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

10

Le systegraveme de distribution est responsable du transfert des paquets entre

diffeacuterents BSS drsquoun mecircme ESS Dans les speacutecifications du standard il est impleacutementeacute de

maniegravere indeacutependante de la structure hertzienne de la partie sans fil Crsquoest la raison pour

laquelle le systegraveme de distribution correspond presque toujours agrave un reacuteseau Ethernet

Une autre solution est drsquoutiliser le reacuteseau Wi-Fi lui-mecircme ce qui donne les laquo meshed

network raquo ou reacuteseaux mesh

LrsquoESS peut fournir aux diffeacuterentes stations mobiles une passerelle drsquoaccegraves vers un

reacuteseau fixe tel qursquoInternet Cette passerelle permet de connecter le reacuteseau 80211 agrave un

autre reacuteseau Si ce reacuteseau est de type IEEE 802x la passerelle incorpore des fonctions

similaires agrave celles drsquoun pont

Un reacuteseau en mode ad-hoc est un groupe de terminaux formant un IBSS

(Independent Basic Service Set) dont le rocircle consiste agrave permettre aux stations de

communiquer sans lrsquoaide drsquoune quelconque infrastructure telle qursquoun point drsquoaccegraves ou

une connexion au systegraveme de distribution Chaque station peut eacutetablir une

communication avec nrsquoimporte quelle autre station dans lrsquoIBSS

Ce mode de fonctionnement se reacutevegravele tregraves utile pour mettre en place facilement

un reacuteseau sans fil lorsqursquoune infrastructure sans fil ou fixe fait deacutefaut

I32 Architecteur logique de WiFi

Comme tous les standards de lrsquoIEEE 80211 couvre les deux premiegraveres couches

du modegravele de reacutefeacuterence OSI (Open Systems Interconnection) Lrsquoune de ses

caracteacuteristiques essentielles est qursquoil deacutefinit une couche MAC commune agrave toutes les

couches physiques De la sorte de futures couches physiques pourront ecirctre ajouteacutees

sans qursquoil soit neacutecessaire de modifier la couche MAC

Figure I4 Couches 1 et 2 du modegravele OSI

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

11

I321 La couche liaison de donneacutees

La couche liaison de donneacutees est composeacutee essentiellement de deux sous-

couches LLC (Logical Link Control) et MAC La couche LLC est de ce fait possible de

relier un WLAN agrave tout autre reacuteseau local appartenant agrave un standard de lrsquoIEEE [5]

Le rocircle de la couche MAC 80211 est assez similaire agrave celui de la couche MAC

8023 du reacuteseau Ethernet terrestre puisque les terminaux eacutecoutent la porteuse avant

drsquoeacutemettre Si la porteuse est libre le terminal eacutemet sinon il se met en attente

La couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves par deacutefaut

qui organise un accegraves agrave compeacutetition (DCF Distribution Coordination Function) Le DCF a

eacuteteacute conccedilu pour prendre en charge le transport de donneacutees asynchrones dans lequel tous

les utilisateurs qui veulent transmettre des donneacutees ont une chance eacutegale drsquoacceacuteder au

support et un mode drsquoaccegraves optionnel proche du mode agrave reacuteservation (PCF Point

Coordination Function) Fondeacutee sur lrsquointerrogation agrave tour de rocircle des terminaux sous le

controcircle du point drsquoaccegraves la meacutethode PCF est conccedilue essentiellement pour la

transmission de donneacutees sensibles qui demandent une gestion du deacutelai utiliseacute pour les

applications temps reacuteel telles que la voix ou la videacuteo

Ces modes drsquoaccegraves mettent en œuvre un meacutecanisme drsquoaccegraves au support controcircleacute

par lrsquoutilisation de silences inter-trames (IFS InterframeSpacing) Ce meacutecanisme induit

une priorisation agrave lrsquoeacutemission drsquoune trame ainsi un accuseacute de reacuteception beacuteneacuteficie drsquoun

silence inter-trame plus court

Le Short IFS (SIFS) est le plus petit silence inter-message Il donne une prioriteacute

absolue agrave certains messages et notamment aux acquittements Sa valeur deacutepend de la

version utiliseacutee Le point coordination fonction (PIFS) est utiliseacute par le point drsquoaccegraves

pour acceacuteder avec prioriteacute au support LePIFS correspond agrave la valeur du SIFS auquel on

ajoute un temps ou time slot DIFS (Distributed coordination function) utiliseacute

lorsqursquoune station veut commencer une nouvelle transmission Le DIFS correspond agrave la

valeur du PIFS agrave laquelle on ajoute un temps Enfin EIFS (Extended IFS) est utiliseacute pour

toute retransmission apregraves reacuteception drsquoune trame incorrecte (CRC ou collision)

Le protocole CSMACALe CSMACA eacutevite les collisions en utilisant des trames drsquoacquittement ou ACK

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

12

(Acknowledgement) Un ACK est envoyeacute par la station destination pour confirmer que

les donneacutees sont reccedilues de maniegravere intacte [14] Lrsquoaccegraves au support est controcircleacute par

lrsquoutilisation drsquoespaces inter-trames ou IFS (Inter- Frame Spacing) qui correspondent agrave

lrsquointervalle de temps entre la transmission de deux trames Les intervalles IFS sont des

peacuteriodes drsquoinactiviteacute sur le support de transmission Les valeurs des diffeacuterents IFS sont

calculeacutees par la couche physique

Les terminaux drsquoun mecircme BSS peuvent eacutecouter lrsquoactiviteacute de toutes les stations qui

srsquoy trouvent Lorsqursquoune station envoie une trame les autres stations lrsquoentendent et

pour eacuteviter une collision mettent agrave jour un timer appeleacute NAV (Network Allocation

Vector) permettant de retarder toutes les transmissions preacutevues Les autres stations

nrsquoont la capaciteacute de transmettre qursquoapregraves la fin du NAV

Le NAV est en fait un temporisateur qui deacutetermine lrsquoinstant auquel la trame peut

ecirctre transmise avec succegraves Une station source voulant transmettre des donneacutees eacutecoute

le support Si aucune activiteacute nrsquoest deacutetecteacutee pendant une peacuteriode de temps

correspondant agrave un DIFS elle transmet ses donneacutees immeacutediatement Si le support est

encore occupeacute elle continue de lrsquoeacutecouter jusqursquoagrave ce qursquoil soit libre Quand le support

devient disponible elle retarde encore sa transmission en utilisant lrsquoalgorithme de back-

off avant de transmettre ses donneacutees

Si les donneacutees envoyeacutees sont reccedilues intactes la station destination attend

pendant un temps eacutequivalent agrave un SIFS et eacutemet un ACK pour confirmer leur bonne

reacuteception Si lrsquoACK nrsquoest pas deacutetecteacute par la station source ou si les donneacutees ne sont pas

reccedilues correctement ou encore si lrsquoACK nrsquoest pas reccedilu correctement on suppose qursquoune

collision srsquoest produite et la trame est retransmise

Lorsque la station source transmet ses donneacutees les autres stations mettent agrave jour

leur NAV en incluant le temps de transmission de la trame de donneacutees le SIFS et lrsquoACK

La figure I5 illustre le processus de transmission des trames agrave partir drsquoun eacutemetteur Ce

processus reprend les diffeacuterentes attentes que nous venons de deacutetailler

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

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[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

13

Figure I5 Processus de transmission des trames

Un reacuteseau en mode ad-hoc utilise uniquement le DCF tandis qursquoun reacuteseau en

mode infrastructure avec point drsquoaccegraves utilise agrave la fois le DCF et le PCF

I322 La couche physique

La couche physique a pour rocircle de transporter correctement la suite de signaux 0

ou 1 que lrsquoeacutemetteur souhaite envoyer au reacutecepteur Elle est diviseacutee en deux sous-

couches PLCP (Physical Layer Convergence Protocol) et PMD (Physical Medium

Dependent)

PLCP prend en charge lrsquoeacutecoute du support Elle fournit pour cela un CCA (Clear

Channel Assessment) qui est le signal utiliseacute par la couche MAC pour savoir si le support

est occupeacute ou non Tandis que la sous-couche La sous-couche PMD deacutependant de type de

modulation utiliseacute a pour objet la transmission des bits sur support hertzien qui sujet

perturbation(signaux parasites aux interfeacuterences avec drsquoautres systegravemes radios agrave

lrsquoeacutevanouissement ducirc aux multi-trajet) les reacuteseaux WiFi utilisent des techniques de

modulation preacutesentant une bonne reacutesistance agrave ces pheacutenomegravenes perturbateurs comme

les technique drsquoeacutetalement de spectre dans la bonde des 24 GHz ou une modulation de

type OFDM dans la bonde des 5 GHz Ils sont comme suite [4]

bull FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

bull DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

bull IR (Infrarouge)

bull OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

14

Le FHSS et le DSSS utilisent la bande des 24 GHz de lrsquoISM (Industrial Scientific and

Medical) Lrsquoinfrarouge nrsquoest utiliseacute que dans les cas ougrave les distances entre les diffeacuterentes

stations sont faibles

La quatriegraveme couche physique a eacuteteacute deacutefinie dans la bande des 5 GHz Gracircce au

codage OFDM des deacutebits compris entre 6 et 54 Mbits peuvent ecirctre atteints 80211 est

le premier standard agrave utiliser un codage OFDM pour une communication de type paquet

Cette technologie eacutetait jusqursquoagrave preacutesent utiliseacutee pour des systegravemes de transmission de

donneacutees continue tels que DVB (Digital Video Broadcasting) ou DAB (Digital Audio

Broadcasting)

I4 Conclusion

Dans ce chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute preacutesenteacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existants dans le but de faire une projection sur

lrsquoobjectif de lrsquoeacutetude On srsquoest inteacuteresseacute plus particuliegraverement agrave la norme IEEE 80211

La norme 80211a permit de transfeacuterer 54 Mbits contre 11Mbits pour le 80211b

et ceci pour un mecircme prix drsquoachat De plus 80211a eacutevolue dans la bande des 5 GHz

(HiperLan2) au lieu de la freacutequence des 24 GHz encombreacutee par drsquoautres protocoles de

communication sans fil (Bluetooth) utiliseacutee actuellement par la norme 80211b

Parallegravelement lrsquoIEEE a deacuteveloppeacute la norme 80211g une version ameacutelioreacutee de 80211b

offrant des deacutebits de 20 Mbits Lrsquoideacutee consiste agrave ameacuteliorer les performances en

incorporant le support OFDM tout en continuant agrave utiliser la bande de freacutequence des 24

GHz Lrsquoobjectif est de maintenir une compatibiliteacute ascendante avec 80211b On suit

Nous avons preacutesenteacute la structure physique et logique de norme IEEE 80211 dans la

structure logique on a preacutesenteacute la couche physique et la couche liaison de donneacutees dans

laquelle la couche MAC deacutefinit deux modes drsquoaccegraves au canal un mode drsquoaccegraves DCF et un

mode drsquoaccegraves optionnel PCF

Finalement nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la coche physique qui

utiliseacute des techniques drsquoeacutetalement de spectre ou la modulation OFDM pour eacuteliminer les

IES cette derniegravere on va eacutetudier son principe dans le troisiegraveme chapitre

Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les reacuteseaux sans fil Chapitre 01

15

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les systegravemes MIMO Chapitre 02

16

II1 Introduction

Les systegravemes MIMO (multiple input multiple output) sont apparus agrave la fin des

anneacutees 1990gracircce agrave Gerard J Foschini [9] ils sont lrsquoun des principaux axes de

deacuteveloppement pour augmenter les deacutebits des communications sans fil nous assistons agrave

un tregraves rapide deacuteveloppement de cette technologie avec des applications deacutejagrave envisageacutees

dans les reacuteseaux locaux sans fil et les reacuteseaux de communication de 3egraveme geacuteneacuteration

Les systegravemes MIMO sont par exemple proposeacutes pour le futur standard de reacuteseau

local sans fil IEEE 80211n ougrave lrsquoobjectif est drsquoatteindre des deacutebits de 100 meacutegabits par

seconde pour les applications videacuteo

La mise en place drsquoune telle structure permet au systegraveme utiliseacute drsquoatteindre des

deacutebits importants et cela sans changer la largeur de la bande alloueacute au signal ni sa

puissance drsquoeacutemission De plus le fait drsquoutiliser plus drsquoune antenne dans les deux cocircteacutes du

systegraveme permet drsquoapporter de la diversiteacute

II2 Principe de MIMO

Un systegraveme MIMO se caracteacuterise par lrsquoutilisation de plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission ainsi qursquoagrave la reacuteception Lorsqursquoun tel systegraveme comprend seulement une seule

antenne agrave lrsquoeacutemission et plusieurs antennes agrave la reacuteception il est nommeacute SIMO (Single

Input Multiple Output) De mecircme lorsqursquoil comprend plusieurs antennes agrave la reacuteception

et une seule antenne agrave lrsquoeacutemission il est nommeacuteMISO (Multiple Input Single Output)

Finalement si les deux cocircteacutes comptent uneantenne chacun le systegraveme est dit SISO

(Single Input Single Output)Comme la montreacute la figure II1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les systegravemes MIMO Chapitre 02

17

FigureII1 Scheacutemas repreacutesentatifs du SISO MISO SIMO et MIMO

Quand on utilise plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission chacune devientune source

drsquoinformation diffeacuterente pour les antennes de reacuteception donc On augmente encore la

diversiteacute

II3 Modegravele de canal MIMO

Soit un systegraveme MIMO agraveN୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de reacuteception comme

illustreacute sur la figure II2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les systegravemes MIMO Chapitre 02

18

Figure II2 Systegraveme MIMO

On suppose que la bande de freacutequence utiliseacutee pour la transmission est assez

eacutetroite pour que le canal soit non seacutelectif en freacutequence A la reacuteception chaque antenne

reccediloit la somme des symboles x୧transmis simultaneacutement par chacune des N୲antennes

eacutemettrices Le signal y୨reccedilu par la jiegraveme antenne peut drsquoeacutecrire de maniegravere discregravete

y୨= sum h୧୨x୧+ n୨Nt

୧ୀଵ II1

Ougrave h୧୨est le gain (coefficient deacutevanouissement)du canal non seacutelectif en freacutequence

entre lrsquoantenne drsquoeacutemission i et lrsquoantenne de reacuteception jn୨est le bruit additif qui est

modeacuteliseacute par des eacutechantillons indeacutependants et suivant une loi gaussienne centreacutee de

variance N2 par dimension reacuteelle Le rapport signal agrave bruit (RSB) par antenne de

reacuteception est deacutefini par RSB = EୱN

Lrsquoeacutequation (II1) peut srsquoeacutecrire sous une forme matricielle comme suit

y = Hx + n II2

Soit la matrice du canal MIMO H de dimension NtimesN୲suivante

H =

hଵଵ ⋯ hଵ౪⋮ ⋱ ⋮

h౨ଵ ⋯ h౨౪

II3

Ougrave y et n sont respectivement les vecteurs de reacuteception et de bruit de dimension Ntimes1

II4 Capaciteacute du canal MIMO

Consideacuterons un systegraveme MIMO avec N୲antennes drsquoeacutemission et Nantennes de

reacuteception

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les systegravemes MIMO Chapitre 02

19

Le canal MIMO deacutefini par la matrice H peut ecirctre deacutecomposeacute en plusieurs canaux

(SISO) parallegraveles en utilisant la deacutecomposition en valeurs propres comme suit

y = Hx + n II3

Figure II3 scheacutema descriptif de lrsquoentreacutee et la sortie de systegraveme

Avec x = [xଵhellip x୧](i=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutement x୧repreacutesente le symbole eacutemis de la

iiegraveme antenne de leacutemetteur y = [yଵhellip y୨](j=1 hellipN) ougrave chaque eacuteleacutementy est le

symbole reccedilu par la jiegraveme antenne du reacutecepteur et n= [nଵ n୨] T (j= 1 N) le vecteur de

dimensionNrepreacutesentant le bruit blanc de moyenne nulle et de variance σଶ

II41 La deacutecomposition du canal avec SVD

Dans un systegraveme MIMO ougrave les coefficients deacutevanouissement entre les diffeacuterentes

antennes eacutemettrices et reacuteceptrices sont indeacutependants une caracteacuteristique tregraves

importante appeleacutee multiplexage spatial (Spatial Multiplexing) peut ecirctre mise en valeur

Le multiplexage spatial dans un canal MIMOexploite la non correacutelation des

coefficients deacutevanouissements sur les diffeacuterents chemins entre la source et la

destination pour diviser le canal original en R୦sous-canaux parallegravelesEn multiplexant

les signaux sur ces diffeacuterents sous-canaux parallegraveles le deacutebit de la transmission entre

leacutemetteur et le reacutecepteur est ameacutelioreacute de lordre deR୦comparativement agrave un systegraveme

SISO Cette augmentation en termes de deacutebit est communeacutement appeleacutee gain en

multiplexage (Multiplexing gain)

Nous deacutecomposons le canal H entre leacutemetteur et le reacutecepteur en ses valeurs

singuliegraveres en utilisant la meacutethode SVD (Singular Value Decomposition) Ainsi la matrice

H peut seacutecrire comme suit

H = UDVୌ II4

U est une matrice unitairede dimension (Nx N)

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les systegravemes MIMO Chapitre 02

20

V est une matrice unitaire de dimension Nx N(c-agrave-dUୌU = VୌV =I౨)

D matrice diagonale de dimension Nx N dont les eacuteleacutements diagonaux D (i i)

repreacutesentent la racine des valeurs propres non nullesde HHୌ

La deacutecomposition du canal est reacutealiseacutee en appliquant une transformation sur le

signal agrave eacutemettre x et sur le signal agrave recevoir y(un preacute-codage lineacuteaire aux donneacutees agrave

transmettre et un post-codage au signal reccedilu)

Figure II4 scheacutema de preacute-codage et post-codage

En effet au niveau de leacutemetteur le signal x estgeacuteneacutereacute par une transformation

lineacuteaire sur un vecteur x tel que x=Vx Le reacutecepteur effectue une transformation sur

lesignal y reccedilu en le multipliant par la matrice unitaire UH

tel que y= UH

y

En remplaccedilant la matrice H par sa deacutecomposition SVD dans leacutequation II4 nous

obtenons leacutequation eacutequivalente suivante

y = UDVୌx + n II5

En appliquant les transformations au niveau de leacutemetteur et du reacutecepteur leacutequation

II5 devient

y= Uୌ( UDVୌx + n)

= Uୌ( UDVୌVx+ n)

= Uୌ UDVୌVx+ Uୌn

= Dx+ nII6

Ougrave nest encore gaussien avec la mecircme variance que n Lrsquoeacutequation II6 repreacutesente

un systegraveme eacutequivalent avec R୦canaux SISO parallegravele x୧comme symbole en entreacutee Yi

comme symbole reccedilu n୧comme bruit additif

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les systegravemes MIMO Chapitre 02

21

II42 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal connu pour leacutemetteur

Lalgorithme du Water Filling [26] permet de calculer la reacutepartition optimale de

la puissance disponible au niveau de leacutemetteur sur les sous-canaux reacutesultants de la

deacutecomposition SVD du canal original et ceci dans le but datteindre la capaciteacute maximale

Cette derniegravere est donneacutee par leacutequation suivante dans le cas ougrave les coefficients

deacutevanouissement sont connus par leacutemetteur et le reacutecepteur

C = maxఘୈఘஸఘ

logଶ(1 + δ୧ଶߩ)

୧ୀଵ

II 7

Ougrave ρ୧et δ୧repeacutesente regravespectivement le rapport signal sur bruit et le gain au niveau du

iiegraveme canal

Leacutequation II7 peut seacutecrire aussi en termes de la portion de puissance ܘ alloueacutee

au iiegraveme sous-canal comme suit

C = max୮ୈ୮ஸ୮

logଶቀ1 + δ୧ଶ

p୧ଶߪቁII 8

୧ୀଵ

II43 Capaciteacute dun lien MIMO avec eacutetat du canal non connu pour leacutemetteur

Nous supposons maintenant que les coefficients du canal sont disponibles

seulement au niveau du reacutecepteur et que leacutemetteur na pas de connaissance sur leacutetat

du canal [33] Dans ce cas la puissance sera distribueacutee eacutequitablement entre les sous-

canaux La capaciteacute du lien MIMO dans ces conditions est donneacutee dans le papier de

Telatar (Telatar 1999) par la relation suivante

= ]ܜܗܔ +

]۷۷

Ougrave est la matrice identiteacute de dimension

II5 Codage spatio-temporel

La paterniteacute des codes spatio-temporels(CST) est attribueacutee agrave Tarokh [1] le CST est

une technique de diversiteacute de transmission elle srsquoapplique aux systegravemes MISO et SIMO

permettent drsquointroduire de la correacutelation spatiale et temporelle entre les signaux eacutemis

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les systegravemes MIMO Chapitre 02

22

drsquoune maniegravere intelligente afin qursquoagrave la reacuteception le signal reccedilu soit bien deacutecodeacute Ce

codage spatio-temporel (CST) dont lrsquoarchitecture geacuteneacuterale est preacutesenteacutee sur la figure

II2

Figure II5 Architecture drsquoun systegraveme de codage spatio-temporel

Ces techniques de codage spatio-temporel peuvent ecirctre classeacutees en deux

cateacutegories les codes spatio-temporels en treillis (CSTT) les codes Spatiaux- Temporels

en Bloc (CSTB) Dans ce qui suit nous supervisons briegravevement ces deux techniques de

codage

II51 Codage spatio-temporel en treillis(CSTT)

Proposeacutes originellement parTarokh Seshadri et Calderbank [16] cette technique

combine le codage de canal avec la modulation sur les antennes eacutemettrices Le principe

des CSTT est de creacuteer des relations entre les symboles agrave la fois dans lrsquoespace et dans le

tempsOn peut ajouter agrave lrsquoavantage eacutevident de diversiteacute un gain de codage loin drsquoecirctre

neacutegligeable

Le codeur est composeacute de ௧polynocircmes geacuteneacuterateurs qui deacuteterminent les

symboles eacutemis simultaneacutement La figure 24 propose le diagramme de treillis drsquoun CSTT

agrave 4 avec un nombre drsquoantennes eacutemettrices ௧= 2

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Les systegravemes MIMO Chapitre 02

23

Figure II6 le diagramme de treillis drsquoun CSTT agrave 2 antennes eacutemettrices

Le fonctionnement du codeur est relativement simple et peut ecirctre reacutesumeacute comme

suit

Repreacutesente lrsquoeacutetat du treillis agrave lrsquoinstant k et par conseacutequent lrsquoeacutetat suivant est

noteacute ାଵ

Consideacuterons que le treillis est agrave lrsquoeacutetat initial = 0

Lrsquoeacutetat suivant du treillis deacutepend des bits drsquoinformation agrave coder Ainsi si les deux

bits agrave coder sont 11 alors lrsquoeacutetat suivant prend la valeur deacutecimale eacutequivalente

crsquoest-agrave-dire ାଵ= 3

Les symboles agrave droite du treillis sont les codes associeacutes agrave chaque doublet

drsquoeacuteleacutements binaires entrants

Dans notre cas (= 0 et ାଵ= 3) le doublet agrave la sortie du codeur est donc 30 (3 sur la

premiegravere antenne et 0 sur la seconde)

Lrsquoinconveacutenient majeur des codes CSTT est la complexiteacute des algorithmes de deacutecodage

Afin drsquoeacuteviter cette complexiteacute de deacutecodage des codes espace- temps en bloc ont eacuteteacute

proposeacutes

II 52 Codes spatio-temporels par bloc

Les CSTB sont deacutefinis comme une opeacuteration de modulation drsquoun bloc de symboles

agrave la fois dans lrsquoespace et dans le temps creacuteant ainsi des seacutequences orthogonales

transmises par des antennes eacutemettrices diffeacuterentes Ces codes preacutesentent lavantage de

faible complexiteacute du deacutecodeur

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 30: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

24

Les symboles constituant la matrice X sont transmis pendant T peacuteriodes

symboles et sur les ௧antennes drsquoeacutemission de telle sorte qursquoagrave chaque peacuteriode symbole

les eacuteleacutements drsquoune colonne de X sont transmis sur les ௧ antennes Par conseacutequent les

codes espace- temps en bloc sont conccedilus de faccedilon agrave maximiser le rendement du codeagrave

reacuteduire le temps de retard agrave minimiser le nombre drsquoantennes mis en jeu et de

maximiser le gain de diversiteacute

On a Q symbole drsquoinformation S = [sଵ sଶhellip s]de dimension Q times 1 sont

encodeacutes par la matrice code X de dimension௧times

X =

ଵଵݔ ⋯ ଵݔ⋮ ⋱ ⋮

ேଵݔ ⋯ ேݔ

൩ II10

Le rendement du code MIMO est eacutegal aR= QT On a alors la relation suivante

Y = HX+N

Ougrave Y et Nsont respectivement les matrices de reacuteception et de bruit de dimension

Ntimes T

Parmi ces codes le code drsquoAlamouti est le plus connu Le scheacutema original

drsquoAlamouti comportait deux antennes agrave lrsquoeacutemission pour atteindre un ordre de diversiteacute

eacutegal agrave 2 et une seule agrave la reacuteception La structure de codage proposeacutee peut ecirctre

repreacutesenteacutee sous la forme suivantefigure II7

Figure II7 scheacutema de code drsquoAlamouti

Pour le cas de code drsquoAlamouti on a N = 1N୲= 2 Alamouti a proposeacute un code

spatio-temporel avec Q=T=2 et donc R=1

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 31: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

25

A lrsquoinstant 1 les symboles ଵetݔ ଶsontݔ transmis respectivement sur lesantennes 1

et 2 puis agrave lrsquoinstant 2 les symboles ଶݔminuslowastet ଵݔ

lowastsont transmis sur les antennes 1 et 2 Ainsi

sous forme matricielle on a

= ൬ଵݔ ଶݔminus

lowast

ଶݔ ଵݔlowast൰ II12

On a le Signal yଵreccedilu agrave lrsquoinstant 1yଵ = ℎଵݔଵ+ ℎଶݔଶ + ଵ

On a le Signal yଶreccedilu agrave lrsquoinstant 2yଶ = minusℎଵݔଶlowast + ℎଶݔଵ

lowast + ଶ

Lrsquoeacutecritureen bloc

ቂyଵyଶቃ= ቂ

ଵݔ ଶݔଶݔminus

lowast ଵݔlowastቃ

ℎଵℎଶ൨+ ቂ

ଶቃ II13

Le reacutecepteur estime les eacuteleacutements de la matrice de canal et recombine les

eacutechantillons reccedilus Il forme alors deux signaux particuliers deacutefinis par

ቂଵݕଶݕ

lowastቃ= ℎଵ ℎଶℎଶ

lowast minusℎଵlowast൨ቂ

ଵݔଶݔቃ+ ቂ

ଶlowastቃ II14

Le deacutecodage dun tel scheacutema se fait en appliquant le traitement lineacuteaireau

vecteur reccedilu y

෨=HX+ ෩ II15

Un code drsquoAlamouti a le mecircme deacutebit qursquoun systegraveme SISO mais deux fois moins

qursquoun multiplexagespatial

II6 multiplexage spatial

Le multiplexage spatial consiste agrave deacutemultiplexer la seacutequence de donneacutees en ௧

trains de donneacutees qui sont ensuite transmis par les ௧antennes eacutemettrices Les

chercheurs des laboratoires Bell ont ainsi proposeacute successivement plusieurs

architectures dont ils ont deacutemontreacute lrsquoeacutenorme potentielCest le scheacutema qui a eacuteteacute proposeacute

sous le nom de Bell Labs Layered Space-Time (BLAST) par Foschini et al [24]

La theacuteorie de linformation a montreacute que la capaciteacute dun canal MIMO cest-agrave-dire

le deacutebit maximal que lon peut transmettre sans erreurs peut ecirctre atteinte avec le

multiplexage spatial Foschini et al ont proposeacute deux structures de BLAST D-BLAST

(Diagonal BLAST) et V-BLAST (Vertical BLAST) Le systegraveme le plus simple qui ne fait

appel agrave aucune technique de codage est le V-BLAST Cette architecture verticale procegravede

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 32: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

26

tout simplement agrave un deacutemultiplexage de la chaicircne drsquoinformations en ௧sous-chaicircnes

chacune drsquoentre elles eacutetant transmise par son antenne respective apregraves avoir eacuteteacute

moduleacutee

Linconveacutenient du multiplexage spatial est quil ne peut pas ecirctre utiliseacute lorsque le

nombre dantennes en reacuteception est infeacuterieur au nombre dantennes en eacutemission car le

reacutecepteur aura le problegraveme dun systegraveme indeacutetermineacute deacutequations lineacuteaires

II7 Notion de diversiteacute

La diversiteacute est utiliseacutee dans les systegravemes de transmission sans fil pour combattre

lrsquoeacutevanouissement agrave faible eacutechelle causeacute par les multi-trajets En effet si plusieurs

reacutepliques de lrsquoinformation sont reccedilues par des liaisons dont les eacutevanouissements

respectifs sont indeacutependants les uns des autres il y a une tregraves forte probabiliteacute pour que

lrsquoune de ces liaisons au moins ne subisse pas de forte atteacutenuation augmentant ainsi la

fiabiliteacute de la liaison La diversiteacute se reacutevegravele donc ecirctre un outil tregraves puissant pour

combattre les eacutevanouissements et les interfeacuterences entre canaux de transmission et

permet notamment drsquoaugmenter la capaciteacute et la couverture des systegravemes radios Les

trois formes de diversiteacute traditionnellement exploiteacutees en communications numeacuteriques

sont la diversiteacute temporelle la diversiteacute freacutequentielle et la diversiteacute spatiale [21]

II71 Diversiteacute temporelle

Utiliseacutee pour combattre lrsquoeacutevanouissement seacutelectif en temps la diversiteacute

temporelle consiste agrave eacutemettre plusieurs reacutepliques du signal dans des intervalles

temporels seacutepareacutes drsquoau moins le temps de coheacuterence du canal (FigII8) Ce type de

diversiteacute est obtenu par lrsquoutilisation conjointe drsquoun entrelaceur et drsquoun code correcteur

drsquoerreur ou encore par demande de reacutepeacutetition automatique Le principal deacutesavantage de

ce proceacutedeacute est bien sucircr le retard induit par la diversiteacute et la diminution de deacutebit

correspondante

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 33: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

27

Figure II8 Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles temporels

II72 Diversiteacute freacutequentielle

Efficace lorsque les eacutevanouissements du canal sont seacutelectifs en freacutequence la

diversiteacute freacutequentielle revient agrave eacutemettre le mecircme signal sur plusieurs freacutequences

porteuses dont lrsquoeacutecartement freacutequentiel est drsquoau moins la bande de coheacuterence du canal

Bc(Fig II9) La diversiteacute freacutequentielle peut ecirctre exploiteacutee par lrsquoutilisation drsquoune

modulation multi-porteuse conjointement avec un entrelaceur et un codage correcteur

drsquoerreur Les techniques drsquoeacutetalement de spectre sont parfois consideacutereacutees comme une

source potentielle de diversiteacute freacutequentielle

FigureII9Le mecircme signal est transmis sur plusieurs intervalles freacutequentiels

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 34: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

28

II73 Diversiteacute spatiale

La diversiteacute spatiale aussi connue sous le nom de diversiteacute drsquoantenne ou

diversiteacute matricielle est lrsquoune des techniques les plus anciennes Elle consiste agrave eacutemettre

ou recevoir lrsquoinformation par plusieurs antennes elle est facile drsquoimpleacutementation et ne

requiegravere pas de ressources freacutequentielles suppleacutementaires Lrsquoobjectif est drsquoavoir

plusieurs antennes seacutepareacutees drsquoune distance suffisante pour avoir deacutecorreacutelation de canal

Il faut donc avoir un espacement suffisant La distance neacutecessaire deacutepend de divers

eacuteleacutements soit du terrain de lrsquoenvironnement de lrsquoantenne elle-mecircme ses dimensions

etc

II74 Diversiteacute de polarisation

On parle de diversiteacute de polarisation quand le mecircme signal est eacutemis et reccedilu

simultaneacutement sur des ondes polariseacutees orthogonalement et dont les caracteacuteristiques de

propagation sont indeacutependantes

Un avantage comparatif de cette technique par rapport agrave la diversiteacute spatiale est

que lrsquoon nrsquoa pas besoin drsquoautant drsquoespace entre les antennes ce qui est nettement

attractif pour les uniteacutes mobiles

II8 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons preacutesenteacute le principe et la capaciteacute de MIMOqui

permet drsquoaugmenter ledeacutebit de systegraveme en utilisant plusieurs antennes agrave lrsquoeacutemission et agrave la

reacuteception Nous avons utiliseacute la meacutethode SVD pour la deacutecomposition du canal en une

suite de sous-canaux parallegraveles et an a constateacute par la preacutesentation de diffeacuterentes

eacutequations de la capaciteacute des systegravemes MIMO que la valeur de cette derniegravere deacutepend des

informations disponibles sur le canal au niveau de leacutemetteur et le reacutecepteur Dans le cas

ougrave cette information est disponible au niveau des deux bouts de la communication

lemploi du Water Filling comme algorithme doptimisation pour la reacutepartition de la

puissance deacutemission sur les diffeacuterents sous-canaux

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

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ISBN 2-7462-0883-0

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 35: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Les systegravemes MIMO Chapitre 02

29

De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des techniques de codage

espace-tempsen particulier pour eacuteviterles eacutevanouissements profonds qui caracteacuterisent

les communications radio-mobiles le codage forment deux familles les codes spatio-

temporels en treillis et les codes spatio-temporels en blocs

Pour eacuteliminer les eacutevanouissements les solutions les plus efficaces restent les

techniques de diversiteacute qursquoelle soit temporelle spatiale ou encore freacutequentielle On note

eacutegalement que la combinaison de plusieurs techniques de diversiteacute permet de mieux

combattre les effets deacutevanouissement du canal La diversiteacute freacutequentielle est

geacuteneacuteralement utiliseacutee dans les systegravemes OFDM qui nous avons entameacute dans le chapitre

suivent

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

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[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

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MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 36: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

29

III1 Introduction

La principale contrainte des systegravemes MIMO utilisant le multiplex spatial reacuteside

dans lrsquoobligation drsquoutiliser les systegravemes dans une bande de freacutequence relativement

eacutetroite Ces systegravemes ne fonctionnent en effet que dans des environnements favorables

aux multi-trajets et qui proposent par conseacutequent de nombreux eacutechos Pour eacuteviter lrsquoIES

la peacuteriode symbole doit donc ecirctre largement supeacuterieure au plus long des eacutechos ce qui

reacuteduit le spectre utilisable Il existe plusieurs techniques pour eacutelargir la bande spectrale

drsquoun signal parmi lesquelles lrsquoeacutetalement de spectre qursquoil soit par seacutequence directe ou

par sauts de freacutequence et les techniques multi-porteuses

Dans ce chapitre on srsquointeacuteresse agrave une modulation multi-porteuse particuliegravere le

multiplex agrave division de freacutequences orthogonales (OFDM) Le multiplex agrave division de

freacutequences orthogonales plus connu sous le nom anglophone OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing) a fait son apparition une dizaine drsquoanneacutees plus tard

que la modulation multi-porteuse gracircce notamment aux travaux de Chang Deacutelaisseacutee

ensuite lors du deacuteveloppement de la theacuteorie de lrsquoeacutegalisation pour les systegravemes mono-

porteuses (de moindre complexiteacute) lrsquoOFDM dut son retour en gracircce vers le milieu des

anneacutees 1980 au projet de radiodiffusion numeacuterique DAB [31] (Digital Audio

Broadcasting) LrsquoOFDM est resteacutee une technique preacutepondeacuterante puisqursquoelle est utiliseacutee

pour de nombreuses applications comme la teacuteleacutevision numeacuterique DVB (Digital

VideoBroadcasting) ou la norme ADSL (Asymmetric Digital Suscriber Line) permettant

des liaisons internet agrave haut deacutebit Enfin lrsquoOFDM srsquoadapte parfaitement aux

communications mobiles et semble incontournable pour le futur standard de quatriegraveme

geacuteneacuteration Cette modulation divise une large bande de freacutequences en plusieurs

porteuses voisines et lrsquoorthogonaliteacute qui la caracteacuterise autorise un certain recouvrement

spectral des porteuses

III2 Principes de la modulation

La modulation est reacutealiseacutee geacuteneacuteralement dans le domaine eacutelectromagneacutetique en

modifiant lrsquoamplitude la freacutequence ou la phase du signal transmis IEEE 80211 utilise

des modulations de phase et drsquoamplitude

Les principales modulations utiliseacutees par IEEE 80211 sont les suivantes [13]

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

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[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 37: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

II21 La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

La phase de la porteuse

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1

II22 QPSK Quadrature Phase

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

dessous)

OFDM Chapitre 03

30

BPSK 1 bit est transmis par symbole

QPSK 2 bits sont transmis par symbole

QAM 4 ou 6 bits sont transmis par symbole

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

de la porteuseest modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

moduleacutee le signal numeacuterique eacutemis

Figure III1 le scheacutema de la modulation BPSK

QPSK Quadrature Phase-Shift Keying

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci

OFDM Chapitre 03

La modulation de phase (BPSK ou BinaryPhase Shift Keying)

modifieacutee en fonction du signal agrave eacutemettre Pour la

transmission numeacuterique les 0 et les 1 provoquent une variation de 180deg de la phase de

la porteuse En reacuteception un deacutetecteur de phase permet de retrouver sur la freacutequence

Cette modulation produit deux signaux transportant lrsquoinformation lrsquoun est

sinusoiumldal (Q) et lrsquoautre cosinusoiumldal (I) Le codage est reacutealiseacute en fonction de la phase de

ces signaux Il y a deux phases possibles (seacutepareacutees de 180deg) pour chacun des deux

signaux (I et Q) ce qui permet de reacutealiser 4 symboles diffeacuterents (ligne Signal Data ci-

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

31

Figure III2 le scheacutema de la modulation QPSK

La modulation QPSK est tregraves utiliseacutee dans les transmissions satellites car elle

permet drsquoobtenir un signal peu sensible aux interfeacuterences tout en conservant un deacutebit

acceptable Ces caracteacuteristiques sont importantes

II23 QAM Quadrature Amplitude Modulation

Cette modulation complegravete la modulation QPSK En effet elle utilise le mecircme

systegraveme de modulation de phase mais elle ajoute en plus une modulation drsquoamplitude

Les signaux I et Q peuvent prendre diffeacuterentes valeurs drsquoamplitude et ainsi augmenter le

nombre de symboles transmissibles

Figure III3 scheacutema de constellation de la modulation QAM-16

La transmission de ces symboles sur la bande peut-ecirctre alteacutereacutee par drsquoautres

signaux drsquointerfeacuterences afin drsquoameacuteliorer la reacutesistance IEEE 80211 utilise deux

techniques lrsquoeacutelargissement de spectre et lrsquoOFDM Nous dans ce meacutemoire on srsquointeacuteresse

agrave lrsquoOFDM

III3 Principes de la modulation multi porteuse

Dans le cas drsquoun canal agrave trajets multiples les techniques de modulations

classiques sont sensibles aux IES(Interfeacuterences Entre Symboles) [25] Pour compenser

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

32

cet effet neacutegatif des processus drsquoeacutegalisation sont utiliseacutesCependant leur mise en place

srsquoest aveacutereacutee drsquoune grande complexiteacute surtout lorsque le canal varie beaucoup dans le

temps ou suivant la freacutequence du signal Les techniques de modulations multi-porteuses

sont donc apparues pour remeacutedier agrave ce problegraveme en eacuteliminant les IES et en simplifiant

lrsquoeacutegalisation Lrsquoinformation est alors reacutepartie sur un grand nombre de sous-porteuses

Ainsi dans un canal de transmission avec des chemins multiples ougrave certaines

freacutequences seront deacutetruites agrave cause de la combinaison destructive de chemins le

systegraveme sera tout de mecircme capable de reacutecupeacuterer lrsquoinformation perdue sur drsquoautres

freacutequences porteuses qui nrsquoauront pas eacuteteacute affecteacutees Dans ce meacutemoire nous nous

inteacuteressons plus particuliegraverement agrave lrsquoOFDM

OFDM est une meacutethode de codage appliqueacutee aux normes 80211a et g qui permet

drsquoobtenir une meilleure bande passante Le principe de OFDM est de diviser la bande de

freacutequence en bandes secondaires qui transmettent simultaneacutement des fractions de

donneacutees Plus le nombre de canaux est eacuteleveacute plus les donneacutees transmises en parallegravele

sont nombreuses plus la bande passante est eacuteleveacutee Selon les conditions de bande

passante OFDM peut utiliser des meacutethodes de modulation de phase et drsquoamplitude

Les systegravemes OFDM transmettent les donneacutees par blocs (symboles OFDM)

chaque bloc comporte un ensemble de N sous-porteuses orthogonales dont les

freacutequences centrales sont espaceacutees drsquoun multiple de lrsquoinverse de la peacuteriode

symbole ∆= 1 ௦ Lrsquoensemble est centreacute autour de la freacutequence de travail

Les donneacutees drsquoentreacutee drsquoun systegraveme OFDM sont sous forme drsquoun flux binaire mis

en seacuterie Des symboles complexes X sont ensuite deacutefinis agrave partir de ces eacuteleacutements

binaires selon une constellation typiquement de modulation BPSK QPSK ou QAM

Les donneacutees passent dans un buffer permettant de les convertir de seacuterie en

parallegravele Apregraves cela elles sont converties au domaine temporel agrave lrsquoaide drsquoune

transformeacutee de Fourier inverse discregravete (IDFT) ou rapide (IFFT) [20] La IDFT (ou IFFT)

accomplit cette transformation en preacuteservant lrsquoorthogonaliteacute entre les diffeacuterentes sous-

porteuses Cette eacutetape caracteacuterise ce qursquoon appelle la modulation OFDM Le scheacutema de

principe du modulateur OFDM est preacutesenteacute sur la figure III4

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 40: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

33

FigureIII4 Scheacutema de principe du modulateur OFDM

Ainsi Le signal relatif au egrave symbole OFDM srsquoeacutecrit

ݔ = ൛ܨܦܫ ൟ=1

radic

ଶగ

ேଵ

= 0 hellip minus ܫܫܫ1 1

Drsquoun point de vue matricielݔ srsquoeacutecrit

ݔ = ுܨ [ ଵ hellip hellip ேଵ] III2

Avec ܨ =ଵ

radicே[ଶగ

]ୀhellipேଵ

La matrice ுdeacutesigneܨ donc lrsquoopeacuteration de IFFT

Cette seacutequence ݔ correspond agrave la somme ݔ des(ݐ) signaux reacutepartis sur les N

sous-porteuses du egrave symbole OFDM eacutechantillonneacutee aux instants t = n ௦N avec n

=0 N

ݔ (ݐ) =1

radic

ଶగ

ேଵ

0 le geݐ ௦ܫܫܫ 3

La forme de donneacutees est ensuite convertie de parallegravele en seacuterie

A la reacuteception le signal reccedilu ݕ est le reacutesultat du filtrage du signal eacutemis ݔ par

un canal de reacuteponse impulsionnelle h De lagrave ݕ srsquoeacutecrit de la faccedilon suivante

ݕ = ℎ lowast ݔ + III4

Avec n eacutetant un bruit additif blanc gaussien

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

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Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 41: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

34

A la reacuteception les donneacutees passent dans un buffer les convertissant de seacuterie en

parallegravele pour pouvoir les transformer agrave nouveau dans le domaine freacutequentiel Cette

transformation est effective en utilisant une transformeacutee de Fourier discregravete (DFT) (ou

rapide (FFT)) [16]

III31 Orthogonaliteacute

On considegravere la classe des signaux exponentiels de la forme ଶగೖ௧ de

freacutequences =

ೞformant un signal OFDM avec0 le geݐ ௦ Les signaux sont

orthogonaux si

(ݐ)ݏ =1

௦න ଶగೖ௧

ଶగ௧ݐ=1

௦න

ଶగೖ

ೞ௧

ଶగ

ೞ௧ݐ

=1

௦න

ଶగ(ೖష)

ೞ௧

ݐ

= ቄݏ1 = ݏ0 ne

III5

Dans le cas discret avec un nombre drsquoeacutechantillonݐ= ೞ

ே lrsquoorthogonaliteacute srsquoexprime

par

=ݐ)ݏ1

ଶగೖ

ேଵ

ଶగ

=1

ଶగೖ

ೞೞ

ேଵ

ଶగ

ೞೞ

=1

ଶగ(ೖష)

ேଵ

= ቄݏ1 =

ݏ0 ne ܫܫܫ 6

Lrsquoorthogonaliteacute est une condition essentielle pour eacuteliminer lrsquoIES dans OFDM

III4 Deacutemodulation

La deacutemodulation agrave la reacuteception se fait par une transformeacutee de Fourier Discregravete

Directe (TFD ou DFT Discret Fourier Transform) du signal reccedilu y(t) eacutechantillonneacute au

rythme t= ௦ Le signal agrave la sortie de la DFT srsquoexprime de la maniegravere suivante

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

35

(ݐ) =1

radic ݕ

ଶగ

ேଵ

ܫܫܫ 7

Figure III5 Scheacutema drsquoun systegraveme OFDM (modulationdeacutemodulation)

III5 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

Les symboles subissent des eacutechos et un symbole eacutemis parvient au reacutecepteur sous

forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et retardeacutes [20] Un symbole eacutemis lors drsquoune

peacuteriode mtimes ௦ peut se superposer agrave un eacutecho provenant du symbole eacutemis agrave la peacuteriode

(m-1) ௦ Il se produit alors des interfeacuterences dites IES (interfeacuterences entre symboles)

comme le montre la figure ci-dessous

Figure III6 Problegraveme des interfeacuterences entre symboles

III51 Intervalle de garde

Pour eacuteviter ces IES (interfeacuterences entre symboles) la solution consiste alors agrave

ajouter un espace entre les symboles OFDM drsquoune dureacutee supeacuterieure agrave lrsquoeacutetalement des

deacutelais Ainsi les derniers eacutechos du symbole OFDM drsquoindice m auront lieu durant cet

intervalle dit de garde et le symbole OFDM suivant drsquoindice m+1 ne sera plus perturbeacute

par le preacuteceacutedent En pratique ajouter un preacutefixe cyclique de tailleܦ telle que Lminus1 leܦ

consiste agrave eacutetendre le symbole OFDM en copiant les derniegraveresܦ composantes et les placer

agrave lrsquoavant de ce mecircme symbolecomme indiqueacute ci-dessous

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

36

Figure III7 Insertion drsquoun intervalle de garde D

Si lrsquoeacutechantillonnage est fait au deacutebut du symbole reccedilu m lrsquoeacutecho le plus retardeacute du

symbole m-1 ne sera pas encore reccedilu il faut donc que le reacutecepteur reccediloit les signaux

provenant de tous les eacutechos ce qui implique que le signal soit prolongeacute pendant les

intervalles de garde preacuteceacutedant le symbole m Le bloc temporel se transforme alors de

ଵ hellip hellip ேଵagrave ேାଵ hellip ேଵ ଵ hellip ேଵ

En consideacuterant une transmission sans bruit additif le symbole OFDM reccedilu apregraves

le passage par le canal srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡ݍ

ݍ ଵ

⋮⋮

ݍ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 ⋯

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

⋱⋯ ⋯ 0

⋮⋱ ⋮

0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ ⋮⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ݔ ேାଵ

⋮ݔ ேଵ

ݔ

⋮ݔ ேଵ ⎦

⎥⎥⎥⎥⎤

Les D premiers eacutechantillons du symbole OFDM reccedilu contiennent les interfeacuterences

avec le bloc preacuteceacutedent Ils sont donc eacutecarteacutes dans la suite du calcul Ainsi le systegraveme

peut se reacuteeacutecrire

⎣⎢⎢⎢⎡

ݍ

ݍ ାଵ

⋮⋮

ݍ ேାଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

=

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

ݔ

ݔ ଵ

⋮ݔ ேଵ

Toute matrice circulante est diagonalisable dans une base de vecteurs propres de

Fourier Ainsi

⎣⎢⎢⎢⎢⎡ℎ 0 0

⋮ ⋱ℎଵ ⋱

ℎଵ ⋯ ℎଵ⋮

⋱ ℎଵ0 ⋱⋮ ⋱ ⋱0 ⋯ 0

⋱ ⋱ 0⋱ 0

ℎଵ ⋯ ℎ ⎦⎥⎥⎥⎥⎤

= ுܨ ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

37

Avec diag([ܪ ([ேଵܪ = F [ℎ hellip ℎଵhellip]est la transformeacutee de Fourier du

canal etܪle coefficient du canal plat associeacute agrave la egrave sous-porteuse Drsquoapregraves les

eacutequations (110) et (115) la transformeacutee de Fourier du symbole OFDM reccedilu ݕ srsquoeacutecrit

⎣⎢⎢⎢⎡

⋮⋮

ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ܨ

⎣⎢⎢⎢⎡ݕ

ݕ ଵ

⋮⋮

ݕ ேଵ⎦⎥⎥⎥⎤

= ൦

ܪ0

0⋱

⋯ 0⋱ ⋮

⋮ ⋱ ⋱ 00 ⋯ hellip ேଵܪ

൪൦

⋮ ேଵ

III6 Preacutesentation du systegraveme MIMOOFDM

Une des techniques les plus efficaces pour ameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale drsquoune

communication radio est lrsquoutilisation drsquoantennes multiples agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

Dans ce qui suit nous consideacuterons un systegraveme MIMO utilisant la modulation OFDM ougrave

lrsquoeacutemetteur et le reacutecepteur sont munis respectivement de ௧ antennes drsquoeacutemission et

antennes de reacuteception et ougrave les antennes sont aligneacutees et uniformeacutement espaceacutees

FigureIII8 figure III9 preacutesentent le scheacutema de la chaicircne de transmission drsquoun systegraveme

MIMOOFDM

Dans ce qui suit nous deacutecrivons le parcours suivi par le message depuis sa

geacuteneacuteration par la source jusqursquoagrave sa destination [19]

le message geacuteneacutereacute par la source est drsquoabord transformeacute en une seacutequence binaire

Ideacutealement Cette opeacuteration de conversion drsquoun signal analogique agrave un signal

numeacuterique est assureacutee par un processus de compression appeleacute le codeur

source En geacuteneacuteral le codeur source nrsquoest pas pris en compte lors de lrsquoeacutetude des

performances des systegravemes MIMO puisque la seacutequence il est donneacute directement

avec des valeurs binaires Ainsi la chaicircne de transmission se deacutelimite par le

codeur de canal et le deacutecodeur de canal de part et drsquoautre du canal de

transmission

la seacutequence binaire reacutesultante est ensuite passeacutee au codeur de canal Le but du

codeur de canal est de la proteacuteger contre les effets du canal (bruits interfeacuterences

etc) Ainsi le codeur introduit drsquoune faccedilon controcircleacutee des bits de redondance qui

peuvent ecirctre utiliseacutes au niveau du reacutecepteur La seacutequence binaire passe agrave travers

un entrelaceur afin que la transmission soit plus robuste aux atteacutenuations en bloc

(block fading) du canal

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

38

la seacutequence binaire passe agrave travers un modulateur numeacuterique Ce dernier associe

agrave chaque seacutequence de q bits un symbole complexe selon une constellation de

taille2 Par exemple nous citons la modulation binaire de phase dite (BPSK) la

modulation drsquoamplitude en quadrature (QAM)

les symboles complexes sont par la suite mappeacutes afin qursquoils soient transmis sur

les antennes de transmission et agrave travers les ressources orthogonales du

canal Comme le systegraveme MIMO eacutetudieacute considegravere la modulation OFDM nous

disposons agrave lrsquoentreacutee du canal de lowast eacutechantillons agrave eacutemettreAinsi lrsquoutilisation

drsquoun modulateur spatio-temporel srsquoavegravere une bonne ideacutee afin de profiter des

ressources en espace temps et freacutequence preacutesentes

finalement les symboles passent agrave travers le modulateur OFDM avant drsquoecirctre

filtreacutes par le filtre limiteur de bande

le signal analogique reacutesultant est transmis agrave travers le canal radio ougrave il se trouve

affecteacute par les atteacutenuations dues aux reacuteflexions et aux reacutefractions du signal dans

le milieu de propagation

agrave la reacuteception le reacutecepteur agrave antennes multiples est constitueacute drsquoun filtre adapteacute

au filtre limiteur de bande utiliseacute agrave lrsquoeacutemission du deacutemodulateur OFDM du

deacutecodeur spatio-temporel du deacutemodulateur numeacuterique du deacutecodeur canal et du

deacutecodeur source

Figure III8 systegraveme de transmission MIMOOFDM en eacutemission

OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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OFDM et MIMO-OFDM Chapitre 03

39

Figure III9 systegraveme de transmission MIMOOFDM en reacuteception

Conclusion

Dans ce chapitre nous avons deacutecrit briegravevement le principe de la modulation et on

a eacutetudieacute preacuteciseacutement la modulation multi-porteuses et la maniegravere dont le signal OFDM

est moduleacutedeacutemoduleacute numeacuteriquement Nous avons deacutecrit de quelle maniegravere les

systegravemes OFDM permettent une occupation spectacle optimale gracircce au principe

drsquoorthogonaliteacute entre sous porteuses Lrsquoorthogonaliteacute et la modulationdeacutemodulation

OFDM sont tregraves facilement reacutealisables gracircce agrave la mise en œuvre de la transformeacutee de

Fourier discregravete qui peut ecirctre efficacement impleacutementeacutee sur des porteuses Lesignal

eacutemis parvient au reacutecepteur sous forme de plusieurs symboles atteacutenueacutes et

retardeacutes(interfeacuterences entre symboles) et on a comme solution le preacutefixe cyclique qui

eacutelimine ces interfeacuterences Ensuite agrave lrsquoaide drsquoun scheacutema reacutecapitulatif nous avons

preacutesenteacute la structure du systegraveme MIMOOFDM et nous avons discuteacute le principe de

fonctionnement de chaque bloc

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

29

IV1 Introduction

Maintenait que nous avons exploreacute les concepts de systegraveme MIMO et la

modulation OFDM nous pouvons plonger dans le cœur de notre sujet crsquoest-agrave-dire ceux

qui combinent ces deux notions les systegravemes MIMO-OFDM Il srsquoagit en fait simplement

drsquoun systegraveme OFDM appliqueacute sur plusieurs antennes qui transmettent des informations

parallegravele Le grand deacutefi auquel nous faisons face est donc de retrouver les donneacutees

envoyeacutees agrave partir du meacutelange drsquoinformations reccedilues

Nous commencerons drsquoabord par deacutefinir les principales composantes du systegraveme

MIMO-OFDM Comme tout systegraveme de teacuteleacutecommunication celui-ci est constitueacute drsquoun

transmetteur drsquoun canal et drsquoun reacutecepteur qui sont eux-mecircmes composeacutes de quelques

eacuteleacutements Chacun de ces blocs sera ensuite impleacutementeacute sur Matlab et on va preacutesenter

les reacutesultats de simulation

VI2 La trame OFDM (IEEE 80211a)

Comme on a deacutejagrave dit lrsquointerface radio de systegraveme IEEE 80211a se base sur

lrsquoOFDM comme modulation pour la couche physique

La transmission OFDM a eacuteteacute speacutecifieacutee avec N=64 sous-porteuses et le preacutefix

cyclique une longueur de L=16 sous-porteuses Alors P=N+L =80 symboles sont

transmis par chaque bloc de donneacutee La dureacutee du symbole est 4 μs alors la peacuteriode

drsquoeacutechantillonnage sera 50 μs Comme la peacuteriode et supeacuterieure au deacuteeacutebit utile de donneacutee

alors parmi le N sous-porteuses il y a 11 sous-porteuses qui sont nulles De plus il y a

B=4 sous-porteuses qui sont des sous-porteuses pilotes A la fin il nous reste U=N-1-

B=48 sous-porteuses pour la transmission des donneacutees

FIGURE IV1 Repreacutesentation freacutequentielle drsquoun symbole OFDM

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

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IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

30

Freacutequence 20 MHZ

dureacutee de la partie utile du symbole 64T= 32 micros

Dureacutee du preacutefixe cyclique 16T=08 micros

Dureacutee de symbole 80T=4 micros

Nombre de sous-porteuses de donneacutee 48

Nombre de sous-porteuses de pilotes 4

Nombre de sous-porteuses de nulles 11

Nombre de sous-porteuses 52

Espacement entre les sous-porteuses 03125 MHZ

Largeur des canaux 20 mhz

Table IV1 speacutecification de la trame

Le systegraveme est composeacute de faccedilon agrave fournir diffeacuterents deacutebits (6-54 Mbits) suivant

la modulation et le codage utiliseacute La table IV2 donne des deacutetails pour diffeacuterentes

combinaisons modulation-codage

Modulation Code Deacutebit Bits par symbole

BPSK 12 6 Mbits 3

QPSK 12 12 Mbits 6

QPSK 34 18 Mbits 9

16-QAM 12 27 Mbits 12

16-QAM 916 27 Mbits 135

64- QAM 23 48 Mbits 24

64-QAM 34 54 Mbits 27

Table IV2 les deacutefeacuterents modes de la couche physique

IV3 Chaicircne drsquoeacutemission

Lrsquoeacuteleacutement drsquoentreacutee de notre chaicircne est un train binaire qui peut correspondre soit

agrave des donneacutees speacutecifiques agrave eacutemettre ou bien agrave des donneacutees geacuteneacutereacutees aleacuteatoirement

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

31

IV31 Codage Convolutif

Le principe du codage correcteur drsquoerreur drsquoajouter de la redondance et de

reacutepartir lrsquoinformation de bit sur un grand nombre de bits Chaque bit codeacute ayant alors de

lrsquoiformation sur un grand nombre de bits utiles

Le codeur utiliseacute ci-dessus est un codeur convolitif de longueur de contrainte 3

Le rendement du codeur est de frac12 puisque pour 1 bit drsquoentreacutee nous avons 2 bits de

sortie et sera lieacute aux 2 bits preacuteceacutedent ( la longueur de contrainte est le nombre de

registres augmenteacute drsquoune uniteacute)

Le bit X de sortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 et 3 alors que le bit Y de s

Ortie est un laquo OU Exclusif raquo entre les bits 1 2 et 3

IV32 Entrelacement

En sortie du codeur convolutif un entrelaceur freacutequentiel est utiliseacute En pratique

lrsquoentrelaceur est une table qui fait correspondre agrave chaque bit une position sur une

porteuse donneacutee Srsquoil y a suffisamment de porteuses freacutequentielles indeacutependantes il est

alors possible de reacutecupeacuterer et reconstituer lrsquoinformation agrave partir des eacutechantillons

nrsquoayant pas subi drsquoatteacutenuation Ceci permet de corriger une longue suite de bits

conseacutecutifs erroneacutes Dans ce contexte la diversiteacute est apporteacutee par lrsquoutilisation conjointe

de codage et drsquoentrelacement

Un scheacutema drsquoentrlacement est caracteacuteriseacute par sa peacuteriode P Si lrsquoon souhaite

envoyer n (en supposons que n est un multiple de p) bits p bits successifs avant

entrlacement sont seacutepareacutes apregraves entrlacement par np bits cette derniegravere valeur eacutetant

souvent appeleacutee profondeur de lrsquoentrlacement

Avant la transmission on meacutemoriseacute une suit de mots de codes dans une meacutemoire

ayant la forme drsquoune matrice de p lignes et de np colonnes On y fait entrer ligne par

ligne p mots de codes de longueur n puis on lit la meacutemoire colonne par colonne afin de

transmettre tous les symboles La transmission consiste agrave transmettre ce principe est

illustreacute sur la figure suivent

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

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pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

32

FigureIV2 Donneacutees numirique avant codage

Codage convolutionnel de rendement frac12 chaque donneacutee indiceacutee i produit 2

donneacutees indiceacuteesi1 et i2

Figure IV3 Entreleceur tregraves simple

Entrelacement tregraves simple les indices 3i 3i+1 3i+2 sont regroupeacutes

Figure IV4 Les donneacutees apregraves codage et entrelacement

Dans cet exemple a31 et a42 sont tregraves affaiblis mais peuvent ecirctre retrouveacutes au

deacutecodage du code convolutif gracircce a32 et a41 qui sont dans une zone drsquoamplifacation

IV33 Mappeur

En sortie de lrsquoentrlaceur les bits sont moduleacutes sous forme des symboles tels que

BPSK QPSK 16QAM ou 64 QAM En fonction de la taille de la constellation eacutemise

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

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[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

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[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

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ISBN 2-7462-0883-0

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fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

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[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

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inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

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Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

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et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

33

Dans notre cas on a utiliseacute des modulations 16 QAM et 64QAM ces modulations

sont appliqueacutees aux donneacutees Les constellations de ces modulations sont deacutecrites sur la

figure suivent

Figure IV5 Constellations des modulations 16QAM et 64QAM

IV34 lrsquoapplication des codes STF aux systegravemes MIMI-OFDM

Lrsquoapplication des scheacutemas de codage spatio-temporels agrave un systegraveme MIMO

utilisant la modulation OFDM se fait drsquoune faccedilon analogue agrave celle de la modulation OFDM

conventionnelle sauf qursquoau lieu drsquoopeacuterer sur une seacutequence de longueur N nous

supposons que maintenant nous disposons en parallegravele de ௧ seacutequences chacune de

longueur N Le scheacutema en bloc du systegraveme STF- MIMO utilisant la modulation OFDM est

donneacute dans la figure IV5

Figure IV6 Modegravele du systegraveme MIMOOFDM utilisant un codage spatio-temporel freacutequentiel

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

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470-02809-4333p

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System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 52: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

34

Comme nous avons deacutejagrave deacutefini dans le scheacutema de systegraveme MIMO-OFDM la

seacutequence de donneacutees passe agrave travers un codeur convolutif de rendement 12 suivi drsquoun

entrelaceur Puis la seacutequence de bits entrelaceacutes est mappeacutee ensuite les symboles

complexes reacutesultants sont transmis au codeur spatio-temporel Ce dernier prend agrave son

entreacutee ௦ seacutequences de M symboles chacune et donne agrave sa sortie ௦௧ seacutequences de

longueur M qui seront transmise sur ௦peacuteriodes symboles ainsi le rendement de

codage est donneacute par R = ௦ ௦ Enfin chaque seacutequence sera passeacutee au modulateur

OFDM de lrsquoantenne qui lui est associeacutee

IV35 IFFT

Une fois les symboles OFDM assembleacutes ils passent par le bloc de conversion de

seacuterie agrave parallegravele qui permet de les mettre sous une forme adeacutequate pour passer dans le

bloc IFFT

Ils passent ensuite par le bloc assurant la modulation OFDM Ce bloc applique

une IFFT permettant de passer du domaine freacutequentiel au domaine temporel

ݕ =1

radic

ଶగே

ேଵ

Ougrave

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

le symbole moduleacute sur la sous-porteuse k

N la taille de la FFT

IV36 insertion de preacutefixe cyclique

Apregraves avoir passeacute le bloc IFFT un preacutefixe cyclique est inseacutereacute avant chaque

symbole Comme le montre la figure III7 dans le chapitre preacuteceacutedent une partie de

chaque symbole OFDM est recopieacutee au deacutebut de ce mecircme symbole Dans notre cas nous

choisirons un CP de longueur 14 ce qui correspondra agrave 16 symboles agrave recopier de la

partie utile du symbole

IV37 filtrage et sur-eacutechantillonnage

Les systegravemes transmettant des donneacutees sur une bande passante limiteacutee

neacutecessitent une fonction de filtrage et mise en forme aussi bien agrave lrsquoeacutemission qursquoagrave la

reacuteception A cause des eacutevanouissements preacutesents dans un canal de propagation le signal

transmis subis quelques distorsions se traduisant par des IES provoquant des erreurs de

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

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[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 53: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

35

deacutetection Afin drsquoeacuteviter ces erreurs aux instants de deacutecision et donc faciliter la deacutetection

la fonction de mise en forme doit respecter le critegravere de Nyquist [34] Ce critegravere indique

que pour avoir une transmission sans IES une bande minimale de transmission

ܤ =ଵ

ଶ ೞest neacutecessaire

En geacuteneacuteral la combinaison du filtre drsquoeacutemission et son filtre ldquoadapteacuterdquo de reacuteception

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Autrement dit si nous consideacuterons une reacuteponse

freacutequentielle ா(f)ܩ du filtre drsquoeacutemission et une autreܩோ(f) = ாܩ ( )lowast du filtre de reacuteception

(filtre adapteacute) donc la reacuteponse freacutequentielle globale G(f) telle que

G(f) = ாܩ (f) ோܩ (f)= ாܩ| ( )|ଶ

est conccedilue pour annuler lrsquoIES Pour que ces conditions soient satisfaites des filtres de

reacuteponse globale G(f) dits en cosinus sureacuteleveacute sont utiliseacutes On peut donc reacutesoudre

lrsquoeacutequation (28) pour trouver les reacuteponses des filtres agrave lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception

ா(f)ܩ = G(f) De lagrave le filtre ா(f)ܩ est dit en racine de cosinus sureacuteleveacute

⎩⎪⎪⎨

⎪⎪⎧ | | ge

1 minus

2

2ቆ1 + cosቆ

ߨ

൬| | minus

1 minus

2൰ቇቇ

1 minus

2le | | le

1 +

2ܫ 2

0 | | ge1 +

2

FIGURE IV7 Exemple de reacuteponses (a) implusionelles et (b) freacutequentielles de filtres en racine de cosinus

sureacuteleveacute

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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Page 54: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

36

Le paramegravetre a est compris entre 0 et 1 et srsquoappelle coefficient de retombeacutee (roll-

off factor) Nous remarquons drsquoapregraves la figure IV7 que le gabarit du filtre peut changer

en fonction de ce paramegravetre Dans notre cas nous avons choisi a = 03 Cette valeur

correspond agrave un compromis entre une bonne efficaciteacute du filtre et un bon rendement et

se situe dans la gamme de celles utiliseacutees habituellement dans la conception de filtres

pour les transmissions numeacuteriques (DVB satellite )

IV4 chaine de reacuteception

La chaine de reacuteception comprend des blocs garantissant les fonctions contraires agrave

celles effectueacutees en eacutemission

IV41 Filtrage et Sous-eacutechantillonnage

Comme cela a eacuteteacute preacuteciseacute dans 2318 le filtre de reacuteception est adapteacute agrave celui en

eacutemission Il est de type racine de cosinus sureacuteleveacute avec un facteur a = 03

IV42 FFT

A la sortie du bloc de filtrage et de sous-eacutechantillonnage les donneacutees sont remis

en parallegravele puis passeacutes dans le bloc FFT Contrairement agrave la IFFT cette fonction permet

de passer du domaine temporel au domaine freacutequentiel

=1

radic ݕ

ଶగே

ேଵ

ܫ 3

k lrsquoindice de sous-porteuse (domaine freacutequentiel)

ݕ le symbole reccedilu agrave lrsquoinstant ௦

N la taille de la FFT

Les donneacutees sont remises en seacuterie puis passeacutes dans les blocs de deacutemodulation et

deacutesentrelaceur qui est une fonction permet de remettre les bits dans lrsquoordre qursquoils

avaient juste avant la fonction drsquoentrelacement et finalement le deacutecodage

IV43 Deacutecodage

Cette eacutetape supprime les redondances ajouteacutees agrave lrsquoeacutemission et corrige certaines

erreurs Le deacutecodage de Viterbi est reacutealiseacute en deux eacutetapes Puisque chaque branche dans

le treillis correspond agrave deacuteterminer le meilleur point agrave lrsquointeacuterieur de chaque sous-

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

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[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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  • sommairepdf
  • introduction geacuteneacuteralepdf
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  • chap03pdf
  • chap04pdf
  • conclusionpdf
  • PROGRAMMEpdf
  • reacutefirencepdf
  • Reacutesumeacutepdf
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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

37

constellation crsquoest-agrave-dire le point dans chaque sous-constellation qui est le plus pregraves du

signal reccedilu Cette eacutetape et srsquoappelle laquo deacutecodage de la sous-constellation raquo

Dans la seconde eacutetape chaque signal seacutelectionneacute dans les sous-constellations lors

de la premiegravere amptape et sa meacutetrique euclidienne sont utiliseacutes pour deacuterouler lrsquoalgorithme

de Viterbi qui deacutetermine le chemin dans le treillis ayant la meacutetrique cumuleacutee la plus

proche de la suite drsquoeacutechantillons bruiteacutes en sortie des filtres adapteacutes

IV5 La probabiliteacute drsquoerreur

La probabiliteacute drsquoerreur est la mesure de lrsquoerreur sur la deacutetection du signal perccedilu

par rapport au message envoyeacute Crsquoest donc un calcul simple consistant agrave comparer les

symboles reccedilus avec ceux envoyeacutes puis agrave diviser par le nombre de symboles envoyeacutes Il

srsquoagit alors de preacutedire la probabiliteacute que le symbole ou le eacutemis soit faux Plus cette

probabiliteacute est faible et plus le systegraveme est bon Pour obtenir les performances drsquoune

technique il existe deux solutions La premiegravere consiste agrave eacutetudier et deacuteterminer

theacuteoriquement la probabiliteacute drsquoerreur Par exemple la probabiliteacute drsquoerreur binaire (PEB)

pour un canal gaussien et modulation M aires MAQ BPSK et QPSK

La seconde solution est la simulation agrave lrsquoaide drsquoun ordinateur Si le nombre de

tirages est important alors le taux drsquoerreur binaire (TEB) drsquoune simulation de type

Monte Carlo tend vers la PEB Cette solution a lrsquoavantage drsquoecirctre simple agrave programmer en

comparaison aux calculs theacuteoriques de la preacuteceacutedente qui peuvent srsquoaveacuterer difficiles

IV6 Le canal

Le canal de Rayleigh modeacutelise lrsquoeffet des trajets multiples eacutevanouissement de Rayleigh

est un modegravele statistique pour lrsquoeffet drsquoun milieu de propagation drsquoun signal radio tel

que celui utiliseacute par les appareils sans fil Le modegravele de Rayleigh suppose que

lrsquoamplitude drsquoun signal qui est passeacute agrave travers un tel support de transmission varie de

faccedilon aleacuteatoire selon une distribution de Rayleigh de la composante radiale de la

somme de deux variables gaussiens non correacuteleacutee

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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  • sommairepdf
  • introduction geacuteneacuteralepdf
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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

38

IV7 Reacutesultat de simulation

La figure IV8 illustre les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configuration mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente [34]

Figure IV8 Capaciteacutes de diffeacuterents systegravemes MIMO compareacutees agrave celle drsquoun SISO Deacutepasser par les systegravemes

(22) et (33) lorsque le RSB important

La figure IV9 montre les performances drsquoun canal Rayleigh pour diffeacuterentes

modulations drsquoamplitude en quadrature (QAM-4 QAM-16 et QAM-64) La PEB est traceacutee

dans un repegravere semi-logarithmique en fonction du RSB Cette repreacutesentation offre une

lecture plus aiseacutee [34]

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

  • page de garde 01 pdf
  • liste de figurepdf
  • sommairepdf
  • introduction geacuteneacuteralepdf
  • chap01pdf
  • chap02pdf
  • chap03pdf
  • chap04pdf
  • conclusionpdf
  • PROGRAMMEpdf
  • reacutefirencepdf
  • Reacutesumeacutepdf
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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

39

Figure IV9 Exemples de probabiliteacutes drsquoerreur binaire dans un canal gaussien pour diffeacuterentes modulations

MAQ-4 MAQ-16 et MAQ-64

IV8 Conclusion

Dans ce chapitre une chaicircne de communications numeacuteriques baseacutee sur les

speacutecifications de la norme IEEE 80216d a eacuteteacute deacuteveloppeacutee et caracteacuteriseacutee agrave lrsquoaide de

Matlab Nous avons envoyeacute un message de lrsquoeacutemetteur au reacutecepteur et pour diminuer le

nombre drsquoerreur agrave la reacuteception les symboles numeacuteriques sont codeacutes avec un codage

convolutif Mais cela ne suffit par puisque pour des symboles proches la fonction de

transfert eacutetant tregraves faible elle provoquera des erreurs sur plusieurs symboles on

effectue apregraves le codage un entrelacement des symboles de telle faccedilon qursquoune donneacutee

perdue soit reacutecupeacutereacutee gracircce agrave drsquoautre symbole lieacutes par codage et modulant des

freacutequences drsquoatteacutenuation plus faible voire mecircme drsquoamplification Puis lrsquoinformation

passeacute par les blocs de modulation OFDM et le filtre de mise en forme avant passeacute au

canal de Rayleigh puis elle fait lrsquoinverse le filtrage adapteacute la deacutemodulation OFDM

deacutemappeur deacutesentrelaceur deacutecodage Nous avons ensuite preacutesenteacute les reacutesultats de

simulation de Matlabreg

Nous avons monteacute les capaciteacutes des systegravemes avec un canal de Rayleigh pour

diffeacuterentes configurations mateacuterielles La capaciteacute drsquoun systegraveme SISO les systegravemes (22)

et (33) Pour une mecircme bande spectrale utiliseacutee De plus les configurations mateacuterielles

nrsquoont pas le mecircme comportement en fonction du RSB le systegraveme (13) est le meilleur agrave

La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

  • page de garde 01 pdf
  • liste de figurepdf
  • sommairepdf
  • introduction geacuteneacuteralepdf
  • chap01pdf
  • chap02pdf
  • chap03pdf
  • chap04pdf
  • conclusionpdf
  • PROGRAMMEpdf
  • reacutefirencepdf
  • Reacutesumeacutepdf
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La simulation des systegravemes MIMO-OFDM Chapitre 04

40

faible RSB mais se fait largement Nous avons donc lorsqursquoon augmente le nombre

drsquoantennes la capaciteacute augmente

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

  • page de garde 01 pdf
  • liste de figurepdf
  • sommairepdf
  • introduction geacuteneacuteralepdf
  • chap01pdf
  • chap02pdf
  • chap03pdf
  • chap04pdf
  • conclusionpdf
  • PROGRAMMEpdf
  • reacutefirencepdf
  • Reacutesumeacutepdf
Page 59: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Conclusion et perspective

Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire porte sur lrsquoeacutetude des systegravemes de

communication sans fil baseacute sur les speacutecifications de la norme IEEE 80211 (WI-FI)

Durant le premier chapitre le contexte de lrsquoeacutetude a eacuteteacute situeacute en commenccedilant par un eacutetat

de lrsquoart des diffeacuterents reacuteseaux sans fil existant en vue de fixer les objectifs de notre

eacutetude Lrsquoeacutetude de la norme IEEE 80211 au niveau de structure physique et logique est

principalement lrsquoobjet de ce meacutemoire cela nous meneacutes agrave la preacutesentation dans le

deuxiegraveme chapitre de systegraveme MIMO qursquoest depuis quelque anneacutees le sujet de

nombreuses eacutetudes car ils preacutesentent une solution inteacuteressant pour reacutepondre aux

besoins des communications sans fil dans un environnement riche en eacutechos Ils

proposent des ameacuteliorations notables dans les transmissions en termes de deacutebit qui

permet drsquoaugmenter la capaciteacute des systegravemes en utilisent plusieurs antennes agrave

lrsquoeacutemission et agrave la reacuteception De mecircme le MIMO augmente la diversiteacute en utilisant des

techniques de codage espace-temps Toujours dans le contexte des techniques

ameacuteliorant les performances nous avons preacutesenteacute dans le troisiegraveme chapitre plusieurs

techniques de modulation en particulier on srsquoest inteacuteresseacute agrave la modulation multi-

porteuses (LrsquoOFDM) qui permettant on drsquoun coteacute de lutter contre les perturbations

qursquoentrainent ces canaux et drsquoun autre coteacute drsquoameacuteliorer lrsquoefficaciteacute spectrale des

systegravemes Et nous avons combineacute les avantages de systegraveme MIMO avec celle de la

modulation OFDM pour en faire un systegraveme MIMO-OFDM

Finalement la chaine MIMO-OFDM deacutecrite nous a conduits agrave la seconde phase de

lrsquoeacutetude du quatriegraveme chapitre durant laquelle chacun des blocs de la chaine sont

impleacutementeacutes sous Matlab dans le bute drsquoidentifier et de comprendre le fonctionnement

des blocs numeacuterique composant cette chaine

Les avantageacutees des diffeacuterents variantes de la modulation OFDM

Une utilisation efficace des ressources freacutequentielles en comparaison avec les

solutions classiques de multiplexage freacutequentielles Ceci et ducirc au fait que

dans lrsquoOFDM les canaux se chevauchent tout en gardant une orthogonaliteacute

Parfaite

Les techniques multi-porteuses sont robustes au bruit impulsif puisque

chaque porteuse est affecteacutee drsquoun bruit indeacutependant des autres porteuses

Contrairement aux modulations mon-porteuses ougrave le bruit peut affecter un

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

  • page de garde 01 pdf
  • liste de figurepdf
  • sommairepdf
  • introduction geacuteneacuteralepdf
  • chap01pdf
  • chap02pdf
  • chap03pdf
  • chap04pdf
  • conclusionpdf
  • PROGRAMMEpdf
  • reacutefirencepdf
  • Reacutesumeacutepdf
Page 60: page de garde 01 - univ-bejaia.dzuniv-bejaia.dz/jspui/bitstream/123456789/8400/1/Etude des système… · Etude des systèmes MIMO-OFDM communication sans fil Année universitaire

Conclusion et perspective

certain nombre de symboles transmis la perte drsquoun symbole ducirc agrave un bruit

important nrsquoaffecte pas les autres symboles

Les techniques OFDM ont une tregraves grande flexibiliteacute dans lrsquoallocation de

bitdeacutebit dans des contextes multiutilisateurs

A lrsquoinverse un des grands inconveacutenients des techniques OFDM est leur manque

inheacuterent de diversiteacute Les scheacutemas OFDM ont sacrifieacute la diversiteacute des scheacutemas

mono-porteuse au profit drsquoune eacutegalisation simplifieacutee En effet lorsque qursquoune

sous-porteuse est affecteacutee drsquoune atteacutenuation lrsquoinformation eacutemise sur cette

porteuse est irreacutemeacutediablement perdue En pratique des scheacutemas OFDM codeacutes

connus sous le nom de COFDM (Coded OFDM) sont utiliseacutes pour remeacutedier agrave ces

inconveacutenients Une autre maniegravere de se reacuteconcilier avec le scheacutema mono

porteuse est lrsquoOFDM concept adaptatif de lrsquoOFDM pouvant allouer une ou

plusieurs porteuses agrave un utilisateur particulier ajoutant ainsi la possibiliteacute de

voir cela comme une meacutethode drsquoaccegraves au meacutedium

clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

code en trellistrellis = poly2trellis(3[5 7 ])code = convenc(Rtrellis)enterlaceurinter = randintrlv(code4)subplot(211) plot(real(inter))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

endsubplot(211) plot(real(DICIMALE))

title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(DICIMALE))title(partie imaginaire de inter)figure

la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

endendsubplot(211) plot(real(DD))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(DD))title(partie imaginaire de zsym)figuremsg=randdeintrlv(DD4)subplot(211) plot(real(msg))title(partie reacuteelle de msg)subplot(212) plot(imag(msg))title(partie imaginaire de msg)figure

[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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  • introduction geacuteneacuteralepdf
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clear allclcclose all Nombre deacutetats de la QAMM =2 Nombre de porteuses dans le symbole OFDMNb = 64 Nombre de symboles OFDM dans la simulationNbSym = 1 dureacutee du preacutefixe cyclique CP = 18NbCP = Nb4 Tirage aleacuteatoire dentiers allant de 0 agrave M-1

r= randint(NbNbSym1)R=r

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title(partie reacuteelle de inter)subplot(212) plot(imag(inter))title(partie imaginaire de inter)figurefor i=14128decimale(i)=8inter(i)+4inter(i+1)+2inter(i+2)+inter(i+3)end

jj=1for i=14128

DICIMALE(jj)=decimale(i)jj=jj+1

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la modulation 16-QAM[I Q] = qaskenco(DICIMALE16)scatterplot([I Q]) figure

insertion pilote 1+j tous les 8 symbolesdebut = 1fin =32X = [ I(debutfin)+jQ(debutfin)]

subplot(211) plot(real(X))title(partie reacuteelle de X)subplot(212) plot(imag(X))title(partie imaginaire de X)figuremapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1432

for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

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endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

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endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

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[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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for i=14S_map(ik)=X(jj+i-1)

endk=k+1

end Creacuteation signal OFDMnb=8nbcp=84

for i = 14 calcul iegraveme symbole OFDM et copie agrave la fin du symbolesymbole_CP(inbcp+1nb + nbcp)=ifft(S_map(i1nb)) copie du preacutefixe cycliquesymbole_CP(i1nbcp)=symbole_CP(inb+1nb + nbcp) sauvegarde du symbole i dans xx(i110) = symbole_CP(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1440

for i=14x_map(jj+i-1)= x(ik)

endk=k+1

endy = filter(1 03x_map)CHAN = rayleighchan(03125 03)Y = filter(CHAN x_map)mapeur de seacuterie vers parallegravelek=1for jj=1440

for i=14Y_map(ik)=Y(jj+i-1)

endk=k+1

endy_m = filter(1 03Y_map)La deacutemodulation fftfor i = 14 extraction du symbole reccedilu sans le preacutefixe cycliquesym_rec(i) = y_m(inbcp+1nb+nbcp) deacutecodage du symbole iyy(i)=fft(sym_rec(i)) sauvegarde du iegraveme symbole deacutecodeacuteXdec(i1nb) = yy(i)endMappeur de Parallegravele vers seacuteriek=1for jj=1432

for i=14yy_map(jj+i-1)= y_m(ik)

end

k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

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[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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k=k+1endzsym = demodulate(modemqamdemod(16)yy_map)ydemod=qamdemod(yy_map16)subplot(211) plot(real(zsym))title(partie reacuteelle de zsym)subplot(212) plot(imag(zsym))title(partie imaginaire de zsym)figureFFFF=de2bi(ydemod4)lll=size(FFFF)k=1for j=132

for i=14DD(1k)=FFFF(ji)k=k+1

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[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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[1] Bic JC (2003) Les reacuteseaux WLAN Assembleacutee geacuteneacuterale du CNFRS GETTeacuteleacutecom paris

[2](2011) Codage canal codes correcteur drsquoerreurs

[3] anne WEI(2011) Chapitr 2-protections contre les problegravemes de transmssion

[4]pujolleG (2006) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 2-212-11987-9-1094p

[5]pujolle(2008) Les reacuteseaux Eyrolles ISBN 978-2-212-11757-81099p

[6] muhlethaler p (2002) 80211 et les reacuteseaus sans fil Eyrolles ISBN 2-212-1154-1 281p

[7]Garguet-duportB (2004) Les reacuteseaus sans fil (WI-FI) Techni Citeacutes ISBN 2-84866-019-8 165p

[8]servin C (2008) Reacuteseaux et teacuteleacutecoms curs avec 129 exercices corrigeacutes Dunod(2) ISBN 978-2-

102049148_3

[9] El zeinG guguen P 0 (2004) Les teacutechnique multi-antennes pour les reacuteseaux sans fil Lavoisier

ISBN 2-7462-0883-0

[10] Bertrand M (2001) Nouveaux scheacutema de reacuteception et deacutecodage pour les systegraveme OFDM sans

fil avec preacutefixe cyclique ISBou zero-padding raquo

[11] Muller jean P (2002)wireless LAN techniques RFWI-FI Blotooth

[12] Anzevui J (20062007) les reacuteseaus sans fil Projet de semestre

[13] Yan G(2008)reacuteseaux sans fils de nouvelle geacuteneacuteration architecteurs spontaneacutees et optimisation

inter-couches Institut polytechnique de GrenobleThese de doctorat

[14]Trung VD(2009)la compatibiliteacute entre IEEE 80211b et IEEE 80211g dans les reseaux sans

filsIunstitut de la fancphonie pour lrsquoinformatique

[15] LEMAINQUE F(2009) Tout sur les reseaux sans fils DUNODISBN 978-2-10-052569-0246p

[16]Bischoff D(2008)Noise variance Estimation for MIMO-OFDM TesbedDepartment of information

Technology and Electrical Engineeringthese doctorat

[17]SOOYC JaeKwon K Won Y YChung G K(2010)MIMO-OFDM wirlees comunication with

MatlebWILYISBN 978-0-470-82563-1

[19]OUACHANI I(2005)analyse de perfarmance de systeacutem de comunication sans fils exploitant Micro

et macro-divirsiteacutethese de coctorat universiteacute de paris-sud

[20]GRUYER P PAILLARD S(2005)modeacutelisation drsquoun modulateur et deacutemodulateur OFDM

[21]BERDER O(2002)optimisation et stragies drsquoallocation de puissence des systeacuteme de transmition

multi-antennes These de doctorat universiteacute de Bretagne

[22]Hanzo LAKHtman yLi wMing J(2011)MIMO-OFDM for LTEWIFI and WIMAX coherent versus

non-coherent and cooperative turbo-transceiverswileyISBN 9780470711750692p

[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

Reacutesumeacute

Ce meacutemoire srsquointeacuteresse agrave lrsquoeacutetude de la couche physique des reacuteseaux locaux sans-fils dits

WLAN(Werless Local Area Networks)et de transmettre un message de lrsquoeacutemetteur au recepteuret

pour ce la ona proposeacute un algorithme de liens pour les reacuteseaux sans fils baseacute sur des liens

MIMO(Multiple Input Multiple Output ) avec lrsquoOFDM(Orthogona Frequency Division Multiplexing) est

une meacutethoude populaire pour la transmission des reacuteseaux sans fils agrave haut deacutebutpour augmenter le

gain de diversiteacute et pour amiliorer la capaciteacute du systeacuteme

Finalement nous avons impleacutementer chaque bloc de la chaine de transmission sur Matleb et

preacuteeseteacute les reacutesultat de simulation

Mots-cleacute les systeacutemes MIMO orthogonal frequency division multiplexing OFDM les reacuteseaux sans fils

WLAN

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[23] Tolga M Dumanet Ghrayeb A (2007) Coding for MIMO communication systegraveme ISBN 978-0-

470-02809-4333p

[24]jianjun R (2008) Signal processing Channel Estimation and Link Adaptationin MIMO-OFDM

System Cuvillier Verlag Gottingen ISBN 978-3-86727-649-8 149P

[25]William S Djordjevic I(2010) OFDM for Optimal Communication AP ISBN 978-0-12-374879-9

[26] Ge H Wong K D Barton M Liberti J C (2002) Statistical Characterization of Multiple-input

Multiple-output Channel capacity

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