Hardware Architectures for WCDMA technology extended to mulitple-antenna systems
Architectures matérielles pour la technologie WCDMA étendue aux systèmes mulit-antennes
Résumé
Over the last ten years, multi-antenna systems (MIMO) for mobile and fixed wireless commu- nications have revolutionized the possibilities offered for numerous telecommunication application domains. Using multiple antennas at both ends of the link considerably increases the capacity of wireless systems. However, the digital algorithms needed to realize these systems are complex and constitute a challenge in order to define powerful hardware architectures. The goal of the present work centers specifically on the optimal definition of architectural solutions to combat this problem in a CDMA context. The first aspect of this work is a deepened study of space-time algorithms and design methods with regards to an efficient hardware implementation. Numerous detection schemes are proposed in the litterature and are applicable following three criteria : quality of service, binary throughput and algorithmic complexity. The latter constitutes a strong limitation for a low cost implementa- tion of mobiles including these applications. Thus, it is necessary to use powerful tools to simulate, evaluate and rapidly prototype these new systems which constitute likely candidates for fourth generation telecommunication systems. The second aspect is the realization of an uncoded multi-antenna transceiver, integrating CDMA in a wideband channel case. A WCDMA mono-antenna system, generalized to any an- tenna array, has been integrated and simulated on the Lyrtech rapid prototyping platform. The developped architecture integrates the main baseband processing modules, such as Nyquist filte- ring, multiple path detection and detection itself. The MIMO-WCDMA prototype is characterized by its flexibility with regards to the number of inputs, format of samples, characteristics of the wireless channel and the targeted technology (ASIC, FPGA). The third aspect is more prospective since it introduces new methods to reduce the hardware cost of multi-antenna systems. The principle of dynamic allocation of the fixed point format is presented with the goal of adapting the data encoding according to the wireless channel's cha- racteristics and consequently minimizing the circuit's complexity. Also, the concept of adaptive architectures is proposed to reduce the power consumption in an embedded system according to application context.
Depuis une dizaine d'années, l'avènement des techniques multi-antennes (ou MIMO) pour les communications sans fil, mobiles ou fixes, a révolutionné les possibilités offertes pour de nombreux domaines d'application des télécommunications. La disposition de plusieurs antennes de part et d'autre du lien augmente considérablement la capacité des systèmes sans fil. Cependant, les al- gorithmes numériques à mettre en œuvre pour réaliser ces systèmes sont autrement complexes et constituent un challenge quant à la définition d'architectures matérielles performantes. L'objectif du travail présent repose précisément sur la définition optimale de solutions architecturales, dans un contexte CDMA, pour contrer cette problématique. Le premier aspect de ce travail porte sur une étude approfondie des algorithmes spatio- temporels et des méthodes de conception en vue d'une implantation matérielle efficace. De nom- breux schémas de détection sont proposés dans la littérature et sont applicables suivant trois critères qui sont : la qualité de service, le débit binaire et la complexité algorithmique. Cette dernière constitue une contrainte forte pour une mise en application à faible coût de terminaux mobiles intégrant ces applications. Aussi, il est nécessaire de disposer d'outils performants pour simuler, évaluer et affiner (prototypage rapide) ces nouveaux systèmes, candidats probables pour les télécommunications de quatrième génération. Le second aspect concerne la réalisation d'un transcepteur multi-antennes sans codage de ca- nal, intégrant la technologie d'accès multiple par répartition de codes dans le cas d'un canal large bande. Un système mono-antenne WCDMA, généralisable à un nombre quelconque d'antennes, a été intégré et simulé au sein de la plate-forme de prototypage rapide Lyrtech. L'architecture développée intègre les principaux modules du traitement en bande de base, à savoir le filtrage de Nyquist, la détection des multiples trajets suivie de l'étape de détection. Le prototype MIMO- WCDMA développé est caractérisé par sa flexibilité suivant le nombre de voies entrantes, le for- mat d'entrée des échantillons, les caractéristiques du canal sans fil et la technologie ciblée (ASIC, FPGA). Le troisième aspect se veut plus prospectif en détaillant de nouveaux mécanismes pour réduire le coût matériel des systèmes multi-antennes. Le principe d'allocation adaptative de la virgule fixe est présenté dans le but d'adapter le codage des données suivant les caractéristiques du canal sans fil et de minimiser en conséquence la complexité du circuit. D'autre part, le concept d'ar- chitectures adaptatives est proposé afin de minimiser l'énergie consommée au sein d'un système embarqué suivant le contexte d'application.