FR3113805A1 - Procédé de télécommunication avec constellation polaire déphasée pour diminution du PAPR et dispositifs correspondant - Google Patents

Procédé de télécommunication avec constellation polaire déphasée pour diminution du PAPR et dispositifs correspondant Download PDF

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Abstract

Procédé de télécommunication avec constellation polaire déphasée pour diminution du PAPR et dispositifs correspondant L'invention concerne un procédé de télécommunication avec transmission d’un symbole multi porteuses ( ) construit à partir des points d’une constellation polaire modulés par blocs (IFFT) avec un contrôle (Ct_PAPR) d’au moins un vecteur de rotation de phase d’un de ces blocs de points modulés pour diminuer un PAPR du symbole multi porteuses transmis. Figure pour l'abrégé : Fig. 9

Description

Procédé de télécommunication avec constellation polaire déphasée pour diminution du PAPR et dispositifs correspondant
Domaine de l’invention
La présente invention se rapporte au domaine des télécommunications. Au sein de ce domaine, l'invention se rapporte plus particulièrement aux communications numériques avec émission d’un signal radio (6G, 5G, WiFi, etc.) dont le PAPR est maîtrisé.
Elle s’applique notamment aux points d’accès et aux dispositifs portables de télécommunication compatibles de standards (6G, etc.) pour lesquels la bande fréquentielle de transmission s’étend au-delà du Giga Hertz.
Art antérieur
Les communications numériques font référence à des chaînes de transmission numérique qui utilisent des modules de traitement du signal bien connus tels qu’illustrés par la .
Une chaîne classique est schématisée par la . Cette chaîne récupère des données d’entrée Bit provenant d’une source binaire telle que les données binaires soient représentatives par exemple d’un signal audio (voix), d’un signal multi média (flux de télévision, flux Internet), etc. Les données d’entrée sont codées par un codeur correcteur d’erreur COD (par exemple Turbo Code, LDPC, code polaire (Polar code)). Un entrelaceur ENT entrelace les données codées. Un codeur binaire à signal MAP convertit un paquet de données binaires, par exemple un mot de code, en un point d’une constellation (BPSK, QPSK, mQAM, etc.). Ce codeur est aussi dit mappeur et il est dit de manière équivalente que le mappeur mappe les données d’entrées sur les points de la constellation. La sortie de ce mappeur est constituée des symboles de la constellation selon le mappage des données d’entrée ou de manière équivalente on parle des données mappées pour désigner les données de sortie. Il est à noter que le m de l’expression mQAM (Quadrature Amplitude Modulation selon la terminologie anglo-saxonne) désigne l’ordre de modulation. La représente une modulation 16QAM classique. Le codeur binaire à signal permet de projeter dit aussi mapper les données binaires issues du codeur de canal (codeur correcteur d’erreur) sur un plan à deux axes suivant une constellation donnée. Chaque point de la constellation transporte ainsi un paquet formé d’un ou de plusieurs bits. Par exemple pour le mappage sur des constellations BPSK, QPSK ou mQAM le nombre de bits pouvant être mappés sur un point de la constellation donnée est le suivant :
- 1 bit pour une BPSK,
- 2 bits pour une QPSK ou une 4-QAM,
- 3 bits pour une 8-QAM,
- 4 bits pour une 16-QAM, etc…
Les données mappées sont modulées par un modulateur MOD multi porteuses pour générer des symboles multi porteuses. La sortie du modulateur alimente un amplificateur de puissance de l’émetteur pour émettre un signal radio.
Parmi les modulations multi porteuses, la modulation OFDM (Orthogonal Frequency-division Multiplexing selon la terminologie anglo-saxonne) s’est avérée comme la modulation de référence depuis son adoption dans les différents standards comme le DAB, DVBT, ADSL, 4G et 5G.
Les qualités intrinsèques de cette modulation OFDM ont assurées son succès dans les standards précités. Parmi ces qualités on peut citer celle liée à un spectre moins étalé que celui d’une modulation mono-porteuse, celle liée à la résistance aux canaux dispersifs en temps et celle liée à la réception qui peut se faire avec une égalisation simple avec un coefficient par porteuse (i.e. traitement ZF pour Zero Forcing selon la terminologie anglo-saxonne).
La figure 3 illustre la sortie d’un modulateur mettant en œuvre une modulation OFDM. Un tel modulateur OFDM est souvent réalisé au moyen d’une transformée inverse de Fourier (IFFT). Les différentes porteuses d’un symbole OFDM sont modulées avec les points de la constellation sur lesquels les paquets de données ont été mappés. L’intervalle fréquentielle entre porteuses est de avec la durée d’un symbole OFDM. Un intervalle de garde de durée est inséré entre deux symboles OFDM successifs. Cet intervalle de garde permet d’absorber les échos provoqués par les réflexions multiples lors des transmissions radio par le canal qui est généralement l’air. Cet intervalle peut être utilisé pour effectuer une première synchronisation temporelle dite grossière du système (entre un émetteur et un récepteur). Il peut ainsi permettre à la réception de positionner la fenêtre FFT avant de démoduler le signal radio reçu. La mise en œuvre de la FFT en réception permet d’effectuer le traitement inverse de la IFFT mise en œuvre à l’émission i.e permet de démoduler les symboles OFDM reçus.
La modulation OFDM (comme toutes les modulations multi-porteuses) génère de par sa construction des pics qui peuvent être importants et préjudiciables au bon fonctionnement des amplificateurs de puissance de l’émetteur. Ces pics définissent le facteur de crête ou PAPR (Peak to Average Power Ratio) du signal.
Le PAPR est la valeur maximale du signal temporel multi porteuses x(t) au carré sur la puissance moyenne du signal :
La illustre le PAPR d’un signal temporel issu d’une modulation OFDM composée de 2048 porteuses modulées avec les points d’une modulation 16-QAM. Le PAPR moyen de ce signal est de l’ordre de 9.2 dB.
Pour diminuer le PAPR, il est connu une technique dite PTS (Partial Transmit Sequence) qui modifie la phase globale d’un sous-bloc OFDM. Mais cette technique nécessite la transmission de l’information de phase au récepteur pour corriger cette modification de la phase du sous-bloc OFDM ce qui diminue l’efficacité spectrale du système radio ou débit net du signal.
Par ailleurs, plus les fréquences de transmission augmentent plus les imperfections des oscillateurs sont importantes introduisant des variations de phase en plus de celles dues au Doppler lié au déplacement du récepteur.
Il existe donc un besoin pour un procédé de télécommunication permettant d’améliorer la situation en particulier pour de futurs standards (6G, etc.) pour lesquels la bande fréquentielle de transmission s’étend au-delà du Giga Hertz et pour lesquels il existe des contraintes de robustesse aux variations de phase.
Caractéristiques principales de l’invention
L’invention a pour objet un procédé de télécommunication avec transmission d’un symbole multi porteuses construit à partir des points d’une constellation polaire modulés par blocs avec un contrôle d’au moins un vecteur de rotation de phase d’un de ces blocs de points modulés pour diminuer un PAPR du symbole multi porteuses transmis.
Une constellation polaire selon l’invention comprend un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation.
L’introduction d’une rotation de phase ou déphasage sur un ou plusieurs des points mappés sur les porteuses au moyen du vecteur de rotation pour diminuer le PAPR du symbole multi porteuses se fait selon le procédé sans aucune transmission d’information au récepteur sur ce déphasage. Et malgré cette absence d’information transmise le récepteur peut avantageusement déterminer sans ambiguïté les points reçus de la constellation. En effet, la constellation polaire permet d’absorber jusqu’à une certaine valeur de déphasage déterminée par le nombre de points de la constellation sur un même cercle.
Un procédé de télécommunication selon l’invention permet d’adresser différentes contraintes vis-à-vis des variations de phase en définissant des valeurs de phase pour différents points. Ce procédé est donc très souple et adaptable en fonction des contraintes de phase.
La constellation utilisée permet en outre d’augmenter la résilience du système vis-à-vis des variations de phase provoquées par les imperfections des oscillateurs, en particulier pour les fréquences hautes au-delà des 6 GHz.
En outre, un procédé de télécommunication selon l’invention permet d’adresser différents contraintes vis-à-vis des variations d’amplitude (bruit) en modifiant la valeur du pas qui peut être paramétrable. Ce procédé est donc très souple et adaptable en fonction des contraintes de bruit.
Selon un objet de l’invention, un procédé de télécommunication comprend :
  • mappage par un mappeur de données d’entrée sur des points d’une constellation qui comprend un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire,
  • modulation par blocs par K modulateurs des points de la constellation répartis en entrée des K modulateurs pour générer K symboles, ,
  • 1èreaddition par un additionneur des K symboles pour obtenir un symbole multi porteuses et détermination d’un PAPR du symbole multi porteuses dit PAPR initial,
  • rotation de phase par un déphaseur d’au moins un des K symboles d’un angle θ de rotation pour générer K symboles dits déphasés,
  • 2eaddition par un additionneur des K symboles déphasés pour obtenir un nouveau symbole multi porteuses,
  • comparaison du PAPR initial et d’un PAPR du nouveau symbole multi porteuses, le plus petit PAPR devenant le PAPR initial,
  • transmission du symbole multi porteuses de plus petit PAPR.
Selon un mode de réalisation, la modulation est mise en œuvre par une transformée de Fourier inverse.
La transformée de Fourier inverse permet d’effectuer efficacement et simplement la transformation d’un domaine fréquentiel à un domaine temporel et d’obtenir un symbole OFDM.
Selon un mode de réalisation, la rotation de phase, la 2e addition, la comparaison sont effectuées de manière itérative pour plusieurs vecteurs différents de rotation de phase.
Lors du traitement itératif l’utilisation de plusieurs valeurs différentes de rotation de phase permet de cibler le vecteur de rotation qui donne le PAPR le plus faible.
Selon un mode de réalisation, les itérations sur les différents vecteurs de rotation de phase sont itérées pour plusieurs symboles. une constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire, le procédé est tel que les deux axes délimitent des quadrants et que les coordonnées polaires sont déterminées par quadrant : , .
Ce mode permet d’utiliser des ordres de modulation importants pour répondre à la demande croissante de débit même en l’absence de pilotes tout en permettant d’absorber une variation de phase pouvant aller jusqu’à π/2 en limitant à quatre le nombre de points sur un même cercle.
Selon un mode de réalisation, , et tel que pour chaque quadrant avec un entier naturel.
Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux car les symboles obtenus peuvent être démodulés par un démodulateur classique, ils sont compatibles des démodulateurs adaptés à la modulation 16-QAM classique selon laquelle les quatre points d’un quadrant sont répartis selon un carré.
Selon un mode de réalisation, pour chaque quadrant , .
La constellation polaire selon ce mode est définie par quadrant et répliquée entre les différents quadrants avec la particularité que la phase des points est la même au sein d’un quadrant. Ce mode permet d’utiliser des ordres de modulation moyens pour répondre à la demande croissante de débit même en l’absence de pilotes tout en permettant d’absorber une variation de phase pouvant aller jusqu’à π/2 en limitant le nombre de points sur un même cercle à quatre.
Selon un mode de réalisation, une constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire, le procédé est tel que les deux axes délimitent des quadrants et que les coordonnées polaires sont déterminées par ensemble de deux quadrants : , .
Ce mode permet d’utiliser des ordres de modulation importants pour répondre à la demande croissante de débit même en l’absence de pilotes tout en permettant d’absorber une variation de phase pouvant aller jusqu’à π en limitant le nombre de points sur un même cercle à deux.
Selon un mode de réalisation, pour deux quadrants pris ensemble , .
La constellation polaire selon ce mode est définie par bloc de deux quadrants et répliquée entre ces deux blocs avec la particularité que la phase des points est la même au sein d’un bloc.
Selon un mode de réalisation, une constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire, le procédé est tel que les coordonnées polaires sont en outre déterminées telles que avec un réel non nul.
Ce mode utilise des constellations dites en spirale définies sur l’ensemble des quadrants i.e. 2π, c’est-à-dire que les quatre quadrants sont considérés comme un tout. Ce mode de réalisation du procédé permet d’introduire une variation de phase qui peut aller jusqu’à 2π sur n’importe quel point de la constellation. Bien qu’aucune transmission d’une information de rotation de phase au récepteur n’intervienne selon le procédé, le récepteur peut déterminer sans ambiguïté les points de constellation reçus puisque la constellation permet d’absorber toute rotation de phase jusqu’à 2π.
Un tel mode est particulièrement adapté pour des systèmes confrontés à beaucoup de bruit de phase ce qui est le cas lorsque les communications interviennent dans la bande des TéraHz. En effet, les oscillateurs présentent beaucoup de bruit de phase à ces fréquences. Les constellations en spirale permettent d’obtenir aussi bien une bonne immunité au bruit qu’une bonne immunité aux variations de phase et sont donc particulièrement avantageuses pour les communications dans le domaine des TéraHz.
Ce mode présente une aussi bonne robustesse aux variations de phase qu’un mode selon lequel tous les points de la constellation ont la même phase mais en outre il augmente avantageusement la distance minimale euclidienne des points de la constellation.
Selon un mode de réalisation, une constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire, le procédé est tel que que pour .
La constellation polaire selon ce mode comprend des points ayant tous la même phase avec un pas d’amplitude constant entre deux pas voisins. Ce type de constellation polaire présente une grande immunité aux variations de phase i.e. pouvant aller jusqu’à 2π mais une immunité relativement faible au bruit.
L’invention a en outre pour objet un procédé de réception comprenant :
  • la réception d’un signal radio représentatif de symboles multi porteuses,
  • la démodulation par un démodulateur (DEMOD) des symboles multi porteuses pour estimer des points d’une constellation,
  • le démappage par un démappeur (DEMAP) des points de la constellation pour estimer des données mappées sur ces points de constellation, la constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes sont déterminées telles que , avec nombre réel le pas en amplitude de la constellation.
L’invention a en outre pour objet unéquipement de télécommunication qui comprend :
  • un mappeur pour mapper des données d’entrée sur des points d’une constellation, la constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes délimitant quatre quadrants sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation,
  • K modulateurs pour moduler par blocs des points de la constellation et générer K symboles, ,
  • un 1eradditionneur complexe des K symboles pour obtenir un symbole multi porteuses,
  • un calculateur pour calculer un PAPR du symbole multi porteuses dit PAPR initial,
  • un déphaseur d’au moins un des K symboles d’un vecteur de rotation de phase pour générer K symboles dits déphasés,
  • un 2eadditionneur complexe des K symboles déphasés pour obtenir un nouveau symbole multi porteuses,
  • un calculateur pour comparer le PAPR initial et un PAPR du nouveau symbole multi porteuses, le plus petit PAPR devient le PAPR initial,
  • un émetteur pour transmettre le symbole multi porteuses de plus petit PAPR.
L’invention a en outre pour objet un équipement de télécommunication qui comprend :
  • un récepteur pour recevoir un signal radio représentatif de symbole multi porteuses,
  • un démodulateur pour démoduler les symbole multi porteuses et estimer des points d’une constellation, la constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes délimitant quatre quadrants sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation,
  • un démappeur pour démapper les points de la constellation et estimer des données mappées sur ces points de constellation.
L’invention proposée permet ainsi d’atteindre plusieurs objectifs :
  • contrôler le PAPR en effectuant une modulation par blocs des points de la constellation polaire suivie d’une rotation de phase sur un ou plusieurs de ces blocs modulés,
  • augmenter la résilience du système vis-à-vis des variations de phase provoquées par les imperfections des oscillateurs pour les fréquences hautes au-delà des 6 GHz,
  • améliorer la qualité intrinsèque pour les systèmes dits à bas coût,
  • améliorer la robustesse des modulateurs et des démodulateurs vis-à-vis du Doppler qui est provoqué essentiellement par le déplacement du récepteur/terminal.
L’ensemble des améliorations apportées permet d’utiliser les systèmes multi porteuses pour les fréquences hautes, en particulier les bandes millimétriques (Téra Hertz) et au-delà.
Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels :
La est un schéma illustrant une chaîne de traitement en bande de base en émission selon l’art antérieur,
La est une représentation d’une constellation 16QAM classique,
La est une représentation classique temps-fréquence de symboles OFDM,
La est une représentation temporelle d’un signal OFDM issu d’une chaîne d’émission classique en bande de base avec un modulateur OFDM pour lequel seules 10% des porteuses sont utilisées,
La est une représentation selon un axe réel X(I) et selon un axe imaginaire Y(Q) d’une première configuration d’une constellation polaire intervenant dans un procédé selon l’invention,
La est une illustration d’un exemple de la variation de phase pouvant impacter les points de la modulation illustrée par la ,
La est une représentation selon un axe réel X(I) et selon un axe imaginaire Y(Q) d’une deuxième configuration d’une constellation polaire intervenant dans un procédé selon l’invention,
La représente schématiquement le maximum de la variation de phase pouvant impacter les points de la modulation illustrée par la ,
La est un schéma bloc illustrant la mise en œuvre d’un procédé selon l’invention par un dispositif correspondant,
La représente la courbe des valeurs de CCDF obtenues sans le procédé de réduction selon l’invention et la courbe des valeurs de CCDF obtenues avec le procédé de réduction selon l’invention avec un bloc de 120 porteuses,
La représente la courbe des valeurs de CCDF obtenues sans le procédé de réduction selon l’invention et la courbe des valeurs de CCDF obtenues avec le procédé de réduction selon l’invention avec un bloc de 12 porteuses,
La est un schéma de la structure simplifiée d’un équipement selon l’invention apte à mettre en œuvre un procédé de télécommunication selon l’invention,
La est un schéma de la structure simplifiée d’un équipement selon l’invention apte à mettre en œuvre un procédé de réception selon l’invention.
Description de modes de réalisation particuliers
Le principe général de l’invention repose sur le mapping de données d’entrée sur une constellation polaire dont les points sont répartis sur des cercles concentriques avec un pas constant entre les cercles associé à une modulation multi porteuses par blocs des points de la constellation et une rotation de phase contrôlée des blocs avant addition pour former un symbole multi porteuses. La modulation comprend sous-porteuses. Elle est effectuée par bloc par K modulateurs de sous-porteuses. Chaque sortie d’un modulateur ou bloc peut être déphasée avec un vecteur de rotation de phase avant l’addition des blocs entre eux. Le PAPR du symbole multi porteuses issu d’une addition complexe après rotation de phase d’un symbole issu d’un bloc est comparé avec le PAPR d’un symbole multi porteuses obtenu avec une rotation de phase différente. La comparaison peut être répétée pour différentes valeurs de rotation de phase. Seul le symbole de PAPR le plus faible est sélectionné et transmis.
Constellations polaires selon l’invention
Le pas est un nombre réel positif non nul. Les points de la constellation sont donc répartis sur au moins deux cercles distincts. Les points ont des coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes délimitant quatre quadrants, avec pour contrainte que . est l’amplitude d’un point, est la phase de ce point. est l’ordre de la modulation.
Pour exemple, une modulation 16QAM a un ordre .
La constellation a pour particularité qu’il y a au maximum un point sur chaque cercle par quadrant considéré pour l’expression sous forme polaire de la constellation. Lorsque la constellation est déterminée sur un quadrant de taille , soit le quadrant alors il y a au maximum un point par cercle. Lorsque la constellation est déterminée par quadrant de taille , soit pour les quadrants et ou et alors il y a au maximum un point par demi-cercle. Lorsque la constellation est déterminée par quadrant de taille , soit pour les quadrants , , et alors il y a au maximum un point par quart de cercle.
Les coordonnées cartésiennes ( , ) avant normalisation correspondant aux coordonnées polaires des points de la constellation s’expriment sous la forme : ;
En paramétrant un pas et en considérant que l’amplitude du premier point vaut un alors :
.
Il est tout à fait habituel d’appliquer un facteur de normalisation lors du mappage ou à l’issu du mappage sur les différents symboles. Le facteur de normalisation « F » dépend du pas entre les points de la constellation et l’ordre de modulation M. Dans ces conditions, il est donné par l’expression :
L’opération de normalisation est une opération bien connue de l’homme du métier, elle n’est donc pas plus décrite.
La figure 5 représente une première configuration d’une constellation polaire utilisée selon l’invention, dite en spirale. Cette première configuration a la particularité que les points sont répartis sur un quadrant qui représente . La configuration représentée correspond à une constellation d’ordre . Chaque point a pour coordonnées : , , et une phase avec un pas déterminé entre deux points successifs i.e. sur deux cercles successifs, par exemple un pas constant de , . Donc, contrairement à des configurations non illustrées, la phase n’est pas constante mais varie entre les points successifs. Cette première configuration est particulièrement avantageuse vis-à-vis des variations de phase car la démodulation en réception peut être réalisée sur uniquement une détection d’amplitude des points de constellation reçus. Toute variation de phase lors de la transmission entre l’émetteur et le récepteur n’impacte pas la démodulation.
Le tableau suivant est un exemple possible de mappage des données binaires d’entrée sur les points d’une constellation polaire selon la première configuration illustrée par la figure 5, en respectant un codage de Gray. L’ordre de modulation est , le pas en amplitude des points de cette constellation est est la phase est un multiple de .
m Codage de Gray avant normalisation
0 0000 1.
1 0001 2
2 0011 3.
3 0010 4.
4 0110 5.
5 0111 6.
6 0101 7.
7 0100 8.
8 1100 9.
9 1101 10
10 1111 11.
11 1110 12.
12 1010 13.
13 1011 14.
14 1001 15.
15 1000 16.
La illustre le résultat d’un écart en fréquence entre l’émetteur et le récepteur avec la constellation définie ci-dessus sur plusieurs symboles OFDM consécutifs. La illustre un exemple de la variation de phase pouvant impacter les points de la modulation dite en spirale, illustrée par la , qui reste acceptable pour l’obtention d’une démodulation correcte. Cette structure en « spirale » permet de résister à de fortes variations de phase entre l’émetteur et le récepteur du système. Ce mode de réalisation est particulièrement adapté pour des systèmes fonctionnant dans les TéraHertz pour lesquels il y a un bruit de phase très important dus à des oscillateurs peu performants.
La figure 7 représente une deuxième configuration d’une constellation polaire utilisée selon l’invention. Cette constellation est d’ordre . Elle a la particularité que le motif des points est reproduit entre les quatre quadrants, chaque quadrant représentant . Chaque point d’un quadrant a pour coordonnées : , , , . Ainsi, pour chaque quadrant, il n’y a qu’un point par cercle concentrique et la phase du point est choisie selon un critère déterminé, par exemple avec un pas constant de entre deux points ou un pas de zéro entre les deux points sur les cercles les plus éloignés dans un même quadrant. Ce deuxième mode est robuste face au bruit blanc additif gaussien car la distance minimale entre les points émis est grande. Selon l’exemple illustré de ce deuxième mode, la phase est un multiple de et plus particulièrement , et . Ce deuxième mode de réalisation tel qu’illustré est très avantageux car il est compatible de nombreux démodulateurs OFDM existants capables de démoduler une modulation OFDM/16QAM. En effet, pour chaque quadrant, les points sont proches de ceux d’une constellation 16QAM classique telle que représentée en .
La figure 8 représente le maximum de la variation de phase pouvant impacter les points de la modulation illustrée par la figure 7, lors de la transmission qui reste compatible de l’obtention d’une démodulation correcte en réception. Dans la limite de ce maximum i.e. tant que la variation de phase reste dans la limite de par rapport à la phase du point émis, le récepteur peut démoduler les points de la modulation reçus malgré la variation de phase entre l’émetteur et le récepteur et ceci sans ambiguïté.
Le schéma bloc de la illustre la mise en œuvre d’un mode de réalisation d’un procédé selon l’invention par un dispositif correspondant.
Un codeur binaire à symbole MAP convertit (mappe) un paquet de données binaires d’entrée, par exemple un mot de code binaire de données issues d’une communication multimédia, en un point complexe d’une constellation selon une technique classique connue de l’homme du métier. Selon l’invention la constellation est une constellation polaire.
Les points obtenus de la constellation sont ensuite répartis en entrée de K modulateurs MOD1, MOD2, MOD3et modulés par bloc, K=3 selon l’illustration. K est paramétrable. La répartition des points de constellation en entrée des K modulateurs est telle que chacun est modulé par une sous-porteuse différente du modulateur équivalent de sous-porteuses. Chacun des K modulateurs effectue une transformation fréquence temps mise en œuvre classiquement avec une transformée de Fourier inverse IFFT de sous-porteuses pour générer un symbole multi porteuses de échantillons temporels, .
Pour chaque indice temporel ,l’addition complexe par un 1eradditionneur ADD[1}des K sorties des K modulateurs donne un échantillon temporel d’un symbole multi porteuses identique à celui obtenu par le modulateur équivalent de sous-porteuses en l’absence de rotation de phase avant addition.
L’impact d’un vecteur de rotation de phase sur un ou plusieurs des symboles de sortie des K modulateurs avant addition complexe de ces symboles entre eux est évalué par le contrôleur Ct_PAPR.
Le contrôleur Ct_PAPR est alimenté en entrée par chacune des N sorties des K modulateurs ainsi que par les N échantillons du symbole multi porteuses .
Le contrôleur Ct_PAPR détermine le PAPR dit PAPR initial du symbole multi porteuses qui sert lui-même de valeur initiale pour le symbole multi porteuses de référence courante .
Le contrôleur Ct_PAPR détermine au moins un vecteur de rotation de phase θ[1], θ[2], θ[3]et l’applique à au moins un des symboles issus des K modulateurs. Ainsi, tous les points de la constellation répartis en entrée des K modulateurs subissent respectivement les rotations de phase θ[1], θ[2], et θ[3]. Les différents vecteurs de rotation de phase θ[1], θ[2], et θ[3]peuvent avoir des valeurs différentes ou bien certains ou tous peuvent être identiques.
Le contrôleur Ct_PAPR compare le PAPR du symbole multi porteuses résultat de l’addition complexe par un 2eadditionneur ADD[2}des échantillons des symboles après rotation d’au moins un des symboles d’entrée de l’additionneur avec le PAPR de la référence courante . Le symbole multi porteuses de sortie est celui des deux symboles multi porteuses d’entrée qui a le PAPR le plus faible. Ce symbole multi porteuses de plus faible PAPR devient le nouveau symbole multi porteuses de référence courante .
La comparaison peut être répétée pour différents vecteurs de rotation de phase selon un procédé itératif à L itérations, L étant paramétrable. A la fin des itérations, seul le symbole multi porteuses de PAPR le plus faible est transmis.
La rotation de phase appliquée à un point de la constellation au moyen du vecteur de rotation de phase est bornée par la valeur θmaxqui est paramétrable.
Selon un mode de mise en œuvre, chaque modulateur met en œuvre une transformation de Fourier inverse. Les symboles multi porteuses obtenus sont dits symboles OFDM.
L’échantillon n du signal temporel issu d’un bloc IFFT mis en œuvre avec une transformation de Fourier inverse est noté : avec k l’indice du bloc IFFT k ∈ [0 : K-1], K le nombre total de blocs IFFT et n l’indice temporel n ∈ [0 : N-1]. la taille de la transformation de Fourier inverse IFFT.
Le symbole OFDM de référence s’écrit pour chaque indice temporel « n » :
Le procédé évalue le PAPR du symbole OFDM de référence dit PAPR initial.
Un mode particulier de réalisation itératif du procédé peut se dérouler de la manière suivante :
  • initialisation :
    • des vecteurs d’angle globale de rotation : , k ∈ [0 : K-1]
    • d’un symbole OFDM de référence courante :
    • PAPR= PAPR initial
  • une boucle n°1 sur un nombre L d’itérations du procédé
    • une boucle n°2 sur le nombre de blocs K : k ∈ [0 : K-1]
      • Initialisation de l’angle de rotation de phase avec , étant la plage de variation de phase maximale en radian pour un bloc « k »,
      • une boucle n°3 sur un nombre P de rotations de phase à tester avec Δ un incrément de phase,
        • le vecteur complexe de rotation pour le bloc « k » s’écrit : , la variable « j » est l’opérateur complexe,
        • pour n ∈ [0 : N-1],l’échantillon du nouveau symbole OFDM est ainsi obtenu :
  • calcul de la valeur du PAPR du nouveau symbole OFDM
  • si cette valeur du PAPR est meilleure que la précédente, mémorisation de l’angle de rotation noté , mémorisation du nouveau PAPR
  • si la nouvelle valeur de l’angle globale de rotation dépasse le seuil maximal déterminé : alors sortir de la boucle n°3
  • mise à jour de l’angle globale de rotation :
  • pour n ∈ [0 : N-1]
  • fin boucle n°3
  • si l’angle de rotation est différent de « 0 », alors une mise à jour est effectuée de l’échantillon , pour n ∈ [0 : N-1]du nouveau symbole OFDM avec cet angle pour le bloc k considéré :
Mise à jour des :
  • fin boucle n°2
  • fin boucle n°1
  • transmission du nouveau symbole multi porteuses : n ∈ [0 : N-1].
Selon un mode de réalisation peu complexe, le nombre d’itérations L=1, seuls quelques blocs de l’ensemble des K blocs sont considérés dans la boucle n°2 et un seul angle de rotation ±θ est utilisé dans la boucle n°3 pour tester l’amélioration du PAPR.
Selon un mode de réalisation, le procédé effectue un brassage avec un brasseur des points de constellation. Ce brassage intervient dans le domaine fréquentiel après le mappage par le mappeur MAP et avant la modulation par les K modulateurs. Ce brassage permet de réduire le PAPR qui est, par construction d’une constellation polaire, plus important que celui obtenu avec une constellation QAM. Par exemple, le brasseur peut être une suite de registre à décalage initialisés à 1 mettant en œuvre la séquence p(n) qui suit la loi suivante , avec X les registres. La fonction de brassage appliquée aux données injectées en entrée du registre est :
Si le brassage est utilisé à l’émission la même fonction de brassage inverse doit être utilisée à la réception.
L’évaluation des performances de réduction du PAPR s’effectue par la mesure du CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function). Il existe deux formules pour cette mesure :
(1)
(2)
La seconde (2) est utilisée pour illustrer les performances de réduction du PAPR obtenue selon l’invention.
Les performances sont évaluées avec un dispositif d’émission paramétré avec une FFT 2048 points avec 1200 porteuses utiles, les autres porteuses sont nulles. La réception utilise pour le décodage un décodeur turbo-codes duo-binaire de 1504 bits et 8 itérations.
La représente la courbe des valeurs de CCDF obtenues sans le procédé de réduction selon l’invention et la courbe des valeurs de CCDF obtenues avec le procédé de réduction selon l’invention. Pour cette dernière courbe, le procédé de réduction selon l’invention est mis en œuvre avec un bloc de 120 porteuses, donc 10 blocs issus des 10 IFFT, une seule itération L=1 et une seule valeur d’angle de rotation ±θ.
La représente la courbe des valeurs de CCDF obtenues sans le procédé de réduction selon l’invention et la courbe des valeurs de CCDF obtenues avec le procédé de réduction selon l’invention. Pour cette dernière courbe, le procédé de réduction selon l’invention est mis en œuvre avec un bloc de 12 porteuses, en référence au bloc du 4G-LTE (Ressource Block).
La comparaison des courbes de chacune des et illustre le gain sur la réduction de PAPR obtenu avec l’invention.
La comparaison des courbes selon l’invention des et illustre le fait que l’augmentation du nombre de blocs permet d’augmenter la réduction du PAPR.
La structure simplifiée d’un mode de réalisation d’un équipement selon l’invention apte à mettre en œuvre un procédé de télécommunication selon l’invention est illustré par la . Cet équipement DEV_E peut tout aussi bien être une station de base qu’un terminal mobile.
L’équipement DEV_E comprend un microprocesseur µP dont le fonctionnement est commandé par l'exécution d’un programme Pg dont les instructions permettent la mise en œuvre d’un procédé de télécommunication selon l’invention. L’équipement DEV_E comprend en outre un mappeur MAP, un modulateur MOD de type OFDM, un contrôleur du PAPR Ct-PAPR, un émetteur EM, une mémoire Mem comprenant une mémoire tampon. Le modulateur MOD de type OFDM est classiquement réalisé en mettant en œuvre plusieurs transformées de Fourier inverse IFFT comme illustré par le schéma de la .
A l’initialisation, les instructions de code du programme Pg sont par exemple chargées dans la mémoire tampon Mem avant d’être exécutées par le processeur μP. Le microprocesseur µP contrôle les différents composants : mappeur MAP, K modulateurs MOD1, MOD2, MOD3, contrôleur du PAPR Ct-PAPR, émetteur EM.
Le paramétrage de l’équipement comprend au moins l’ordre de la modulation, le pas de la constellation ainsi que la valeur de ,le nombre d’itérations L, l’angle de rotation maximal θmax,le nombre K de blocs (IFFT). L’ordre de la modulation détermine le nombre de points .
Ainsi en exécutant les instructions, le microprocesseur µP :
  • détermine les coordonnées polaires des points de la constellation : , , telles que , ,
  • contrôle les différents composants pour que, pour un paquet de données d’entrée DATA :
    • le mappeur MAP mappe les données DATA sur les points de la constellation,
    • les K modulateurs MOD1, MOD2, MOD3modulent les données mappées sur les différentes porteuses pour générer K symboles,
    • un additionneur complexe additionne les K symboles pour obtenir le symbole OFDM qui initialise la référence Ref,
    • le contrôleur du PAPR Ct-PAPR détermine les angles de rotation à appliquer aux symboles de sortie des K modulateurs (K blocs d’indice k) pour obtenir le symbole OFDM à transmettre ayant le plus faible PAPR par comparaison avec la Ref qui est mise à jour à chaque nouvel angle de rotation déterminé avec le symbole OFDM obtenu de plus faible PAPR,
    • l’émetteur EM émette un signal radio représentatif du symbole OFDM de plus faible PAPR.
La structure simplifiée d’un mode de réalisation d’un équipement selon l’invention apte à mettre en œuvre un procédé de réception selon l’invention est illustré par la . Cet équipement DEV_R peut tout aussi bien être une station de base qu’un terminal mobile.
L’équipement DEV_R comprend un microprocesseur µP dont le fonctionnement est commandé par l'exécution d’un programme Pg dont les instructions permettent la mise en œuvre d’un procédé de réception selon l’invention. L’équipement DEV_R comprend en outre un démappeur DEMAP, un démodulateur DEMOD de type OFDM, un récepteur RE, une mémoire Mem comprenant une mémoire tampon.
A l’initialisation, les instructions de code du programme Pg sont par exemple chargées dans la mémoire tampon Mem avant d’être exécutées par le processeur μP. Le microprocesseur µP contrôle les différents composants : démappeur DEMAP, démodulateur DEMOD, récepteur RE.
Selon un mode de réalisation le démodulateur DEMOD met en œuvre une démodulation en deux étapes pour lutter contre une relative faiblesse d’une constellation polaire au bruit blanc additif Gaussien. Lors d’une première étape, le démodulateur DEMOD évalue l’erreur de phase commune pour un symbole OFDM reçu et corrige le symbole OFDM en conséquence. Dans une deuxième étape, le démodulateur DEMOD démodule les points de constellation de manière classique au moyen d’un calcul de LLR (Log-Likelihood Ratio) comme pour une constellation QAM. Classiquement, le démodulateur met en œuvre une transformée de Fourier FFT. Le démappeur DEMAP effectue l’opération inverse du mappeur MAP.
Le paramétrage de l’équipement comprend au moins l’ordre de la modulation, le pas de la constellation ainsi que la valeur de . L’ordre de la modulation détermine le nombre de points .
Ainsi en exécutant les instructions, le microprocesseur µP :
  • détermine les coordonnées polaires des points de la constellation : , , telles que , ,
  • contrôle les différents composants pour que :
    • le récepteur RE reçoive le signal radio représentatif des symboles OFDM,
    • le démodulateur DEMOD démodule les symboles OFDM successifs pour estimer les points de la constellation mappés sur les différentes porteuses,
    • le démappeur MAP démappe les points de la constellation pour estimer les données DATA.
L’équipement DEV_R qui reçoit le signal radio émis selon un mode de réalisation d’un procédé selon l’invention peut démoduler les points de la constellation reçus en estimant l’amplitude du point reçu :
et est le bruit blanc additif gaussien projeté sur les voies X et Y.
Connaissant la constellation, et compte tenu qu’il n’y a au plus qu’un point par cercle sur un quadrant, l’équipement DEV_R peut donc à partir de l’amplitude déterminer le point reçu avec une incertitude sur sa position si plusieurs quadrants ont été considérés à l’émission pour définir la constellation.
Après avoir estimé l’amplitude du point reçu l’équipement DEV_R peut estimer l’erreur de phase en comparant les points estimés projetés sur les axes X(I) et Y(Q) avec les points transmis. L’erreur de phase commune provient essentiellement des variations des oscillateurs et/ou au Doppler :
En effectuant la somme des différentes estimations d’erreur de phase faite sur chaque porteuse OFDM i.e. pour chaque point de la constellation qui a modulé une porteuse, l’équipement DEV_R peut avoir une amélioration de l’estimation de l’erreur de phase et diminuer ainsi l’influence du bruit blanc sur l’estimation du point émis :
avec L le nombre de porteuses OFDM utilisées pour estimer les variations de phase.
Une fois l’estimation faite de l’erreur de phase commune, l’équipement DEV_R peut corriger l’ensemble des points de constellation modulant un symbole OFDM. Cette correction peut se faire aussi bien dans le domaine fréquentiel i.e. après la démodulation IFFT que dans le domaine temporel i.e. avant la démodulation IFFT. En effectuant la correction dans le domaine temporel ceci permet de diminuer l’interférence entre porteuse qui est issue de la rotation de phase.
La détermination de l’erreur de phase permet de diminuer l’erreur de démodulation.
Le pouvoir de correction à la réception est directement lié à la structure des constellations polaires, par exemple pour la constellation polaire limitée à un quadrant la rotation de phase maximale est de ±π/4 et pour la constellation spirale la limite est de ±π. L’intérêt de limiter la rotation de phase pour réduire le PAPR permet aussi de pouvoir continuer à évaluer les variations de phase provoquées par le Doppler ou par le bruit de phase des oscillateurs.
En conséquence, l'invention s'applique également à un programme d'ordinateur ou plusieurs, notamment un programme d'ordinateur sur ou dans un support d'informations, adapté à mettre en œuvre l'invention. Ce programme peut utiliser n'importe quel langage de programmation, et être sous la forme de code source, code objet, ou de code intermédiaire entre code source et code objet tel que dans une forme partiellement compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable pour implémenter un procédé selon l'invention.
Le support d'informations peut être n'importe quelle entité ou dispositif capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un moyen de stockage, tel qu'une ROM, par exemple un CD ROM ou une ROM de circuit microélectronique, ou encore un moyen d'enregistrement magnétique, par exemple une clé USB ou un disque dur.
D'autre part, le support d'informations peut être un support transmissible tel qu'un signal électrique ou optique, qui peut être acheminé via un câble électrique ou optique, par radio ou par d'autres moyens. Le programme selon l'invention peut être en particulier téléchargé sur un réseau de type Internet.
Alternativement, le support d'informations peut être un circuit intégré dans lequel le programme est incorporé, le circuit étant adapté pour exécuter ou pour être utilisé dans l'exécution du procédé en question.

Claims (18)

  1. Procédé (1) de télécommunication avec transmission d’un symbole multi porteuses construit à partir des points d’une constellation polaire modulés par blocs avec un contrôle d’au moins un vecteur de rotation de phase d’un de ces blocs de points modulés pour diminuer un PAPR du symbole multi porteuses transmis.
  2. Procédé (1) de télécommunication selon la revendication 1, comprenant :
    • mappage par un mappeur (MAP) de données d’entrée sur des points d’une constellation qui comprend un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire,
    • modulation par blocs par K modulateurs (MOD) des points de la constellation répartis en entrée des K modulateurs pour générer K symboles, ,
    • 1èreaddition par un additionneur des K symboles pour obtenir un symbole multi porteuses et détermination d’un PAPR du symbole multi porteuses dit PAPR initial,
    • rotation de phase par un déphaseur d’au moins un des K symboles d’un angle de rotation de phase θ pour générer K symboles dits déphasés,
    • 2eaddition par un additionneur des K symboles déphasés pour obtenir un nouveau symbole multi porteuses,
    • comparaison du PAPR initial et d’un PAPR du nouveau symbole multi porteuses, le plus petit PAPR devenant le PAPR initial,
    • transmission du symbole multi porteuses de plus petit PAPR.
  3. Procédé (1) de télécommunication selon la revendication 1 ou 2, tel que la modulation est mise en œuvre par une transformée de Fourier inverse (IFFT).
  4. Procédé (1) de télécommunication selon l’une des revendications 2 à 3, tel que la rotation de phase, la 2eaddition, la comparaison sont effectuées de manière itérative pour plusieurs vecteurs différents d’angle de rotation de phase.
  5. Procédé (1) de télécommunication selon la revendication 4, tel que les itérations sur les différents vecteurs de rotation de phase sont itérées pour plusieurs symboles.
  6. Procédé (1) de télécommunication selon l’une des revendications 1 à 4, une constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire, le procédé est tel que les deux axes délimitent des quadrants et que les coordonnées polaires sont déterminées par quadrant : , .
  7. Procédé (1) de télécommunication selon la revendication 5, tel que , et tel que pour chaque quadrant avec un entier naturel.
  8. Procédé (1) de télécommunication selon la revendication 5, tel que pour chaque quadrant , .
  9. Procédé (1) de télécommunication selon l’une des revendications 1 à 4, une constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire, le procédé est tel que les deux axes délimitent des quadrants et que les coordonnées polaires sont déterminées par ensemble de deux quadrants : , .
  10. Procédé (1) de télécommunication selon la revendication 8, tel que pour deux quadrants pris ensemble , .
  11. Procédé (1) de télécommunication selon l’une des revendications 1 à 4, une constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire, le procédé est tel que les coordonnées polaires sont en outre déterminées telles que avec un réel non nul.
  12. Procédé (1) de télécommunication selon l’une des revendications 1 à 4, une constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation dite polaire, le procédé est tel que que pour .
  13. Procédé (2) de réception comprenant :
    • la réception d’un signal radio représentatif de symboles multi porteuses,
    • la démodulation par un démodulateur (DEMOD) des symboles multi porteuses pour estimer des points d’une constellation,
    • le démappage par un démappeur (DEMAP) des points de la constellation pour estimer des données mappées sur ces points de constellation,
    caractérisé en ce que la constellation comprend un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes sont déterminées telles que , avec nombre réel le pas en amplitude de la constellation.
  14. Equipement de télécommunication (DEV_E) caractérisé en ce qu’il comprend :
    • un mappeur (MAP) pour mapper des données d’entrée sur des points d’une constellation, la constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes délimitant quatre quadrants sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation,
    • K modulateurs (MOD) pour moduler par blocs des points de la constellation et générer K symboles, ,
    • un 1eradditionneur complexe des K symboles pour obtenir un symbole multi porteuses,
    • un calculateur pour calculer un PAPR du symbole multi porteuses dit PAPR initial,
    • un déphaseur d’au moins un des K symboles d’un vecteur de rotation de phase pour générer K symboles dits déphasés,
    • un 2eadditionneur complexe des K symboles déphasés pour obtenir un nouveau symbole multi porteuses,
    • un calculateur pour comparer le PAPR initial et un PAPR du nouveau symbole multi porteuses, le plus petit PAPR devient le PAPR initial,
    • un émetteur (EM) pour transmettre le symbole multi porteuses de plus petit PAPR.
  15. Equipement de télécommunication (DEV_R) caractérisé en ce qu’il comprend :
    • un récepteur (RE) pour recevoir un signal radio représentatif de symbole multi porteuses,
    • un démodulateur (DEMOD) pour démoduler les symbole multi porteuses et estimer des points d’une constellation, la constellation comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes délimitant quatre quadrants sont déterminées telles que , nombre réel étant le pas en amplitude de la constellation,
    • un démappeur (DEMAP) pour démapper les points de la constellation et estimer des données mappées sur ces points de constellation.
  16. Programme d'ordinateur sur un support d'informations, ledit programme comportant des instructions de programme adaptées à la mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans un équipement de télécommunication.
  17. Support d'informations comportant des instructions de programme adaptées à la mise en œuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, lorsque ledit programme est chargé et exécuté dans un équipement de télécommunication.
  18. Signal numérique émis ou reçu comprenant un symbole multi porteuses construit à partir des points d’une constellation polaire dont au moins un des points a subi une rotation de phase pour diminuer un PAPR du symbole multi porteuses transmis, une constellation polaire comprenant un ensemble de points dont les coordonnées exprimées sous forme polaire , , dites coordonnées polaires par référence à une représentation à deux axes délimitant quatre quadrants sont déterminées telles que , nombre réel positif étant le pas en amplitude de la constellation.
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