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