MIMO Channel Hardware Simulator for LTE and 802.11ac Wireless Communication Systems

par Bachir Habib

Thèse de doctorat en Electronique et télécommunications

Sous la direction de Ghaïs El Zein.

Le président du jury était Emmanuel Boutillon.

Le jury était composé de Ghaïs El Zein, Emmanuel Boutillon, Dominique Houzet, Yannis Pousset, Gheorghe Zaharia, Sylvie Kerouedan.

Les rapporteurs étaient Dominique Houzet, Yannis Pousset.

  • Titre traduit

    Simulateur matériel MIMO pour les systèmes de communications sans fil LTE et 802.11ac


  • Résumé

    Pour évaluer les performances des systèmes de communications sans fil, un simulateur matériel de canal MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) est réalisé pour les nouveaux systèmes de communication. Il fournit la vitesse de traitement nécessaire et permet d’évaluer les performances en temps réel. Il permet de comparer les différents systèmes dans les mêmes conditions souhaitées. Les objectifs de ce travail concernent principalement les modèles de canal MIMO et l'architecture de bloc numérique du simulateur matériel.Le simulateur matériel conçu peut être configuré avec les nouveaux réseaux radio-mobiles (LTE) et les réseaux locaux sans fil (WLAN 802.11ac). Il utilise des modèles de canaux standardisés, comme le TGn IEEE 802.11n et le 3GPP-LTE, ou des résultats de mesures effectuées avec un sondeur de canalMIMO conçu et réalisé dans notre laboratoire. Récemment, le sondeur de canal a été utilisé au cours de campagnes de mesure pour des environnements à bord d’un navire et de l’extérieur-vers-l’intérieur (outdoor-to-indoor). Un algorithme est proposé pour que les réponses impulsionnelles mesurées soient compatibles avec la bande des signaux LTE. En outre, le modèle de Kronecker avec des évanouissements de Rayleigh est utilisé pour obtenir un canal variant dans le temps.Le simulateur doit être capable de reproduire différents types d'environnement. Dans ce contexte, de nombreux scénarios ont été proposés. Ils considèrent le mouvement à l'intérieur et à l'extérieur pour des environnements et des réseaux hétérogènes. Un algorithme est proposé et analysé pour basculer entre les environnements d’une manière continue. Ces réseaux offrent des services à travers un réseau cellulaire à l'aide du LTE et sont capables de maintenir le service lors du passage à un réseau local sans fil WLAN 802.11ac.Deux architectures pour le bloc numérique du simulateur matériel sont proposées. La première opère dans le domaine fréquentiel en utilisant des modules de transformée de Fourier rapide (FFT/IFFT). Dans ce contexte, une nouvelle architecture fréquentielle améliorée qui fonctionne avec des signaux d'entrée de longue durée est proposée. La seconde opère dans le domaine temporel en utilisant des filtres à Réponse Impulsionnelle Finie (FIR).Les architectures ont été implémentées sur des circuits programmables (FPGA : Field Programmable Gate Array) Virtex-IV de Xilinx. Leurs occupations sur FPGA, la précision des signaux de sortie et leur latence sont analysées et comparées. De plus, une solution basée sur un facteur d’échelle automatique (ASF: Auto-Scale Factor) est introduite pour augmenter la précision des signaux de sortie.


  • Résumé

    To evaluate the performance of the emerging mobile and wireless communication systems, a Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) channel hardware simulator is designed and implemented using the recent communication standards. It provides the processing speed required to the real-time performance evaluation and allows comparing various systems in the same test conditions. The objectives of this work mainly concern the MIMO channel models and the digital block architecture of the hardware simulator. The hardware simulator can be configured with Long Term Evolution (LTE) and Wireless Local Area Network (WLAN) 802.11ac signals. It uses standard channel models, as 3GPP LTE and TGn IEEE 802.11n. It also allows replaying measurement results obtained with the MIMO channel sounder designed and realized at our laboratory. In fact, data obtained during measurement campaigns onboard a ship and for outdoor-to-indoor environments were used. The measured impulse responses are pre-processed in order to make them compatible with LTE or 802.11ac signals. Moreover, timevarying channel models are obtained using Kronecker model with Rayleigh fading.The simulator must be able to reproduce different types of environment. In this context, many scenarios considering realistic people movements have been proposed. They involve movements in outdoor, indoor, outdoor-to-indoor or heterogeneous environments. An algorithm is proposed and described to switch between the environments in a continuous manner. Heterogeneous wireless communication systems are also considered. These systems provide service through a cellular network using LTE standard and are able to maintain the service when switching to a WLAN 802.11ac, for example.Two architectures for the digital block of the hardware simulator are proposed. The first operates in the frequency domain using Fast Fourier Transform (FFT/IFFT) modules. A new improved frequency architecture that works for streaming mode input signals is proposed. The second operates in time domain using Finite Impulse Response (FIR) filters.The architectures of the digital block of the hardware simulator are implemented on a Field Programmable Gate Array (FPGA) Virtex-IV from Xilinx. Their occupation on the FPGA, the accuracy of the output signals and their latency are analyzed and compared. Moreover, a new algorithm, based on an Auto-Scale Factor (ASF), is added for the time domain architecture. This algorithm improves the precision of the output signals.

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