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Non-binary LDPC codes associated to high-order modulations Ahmed ABDMOULEH Dire

Non-binary LDPC codes associated to high-order modulations Ahmed ABDMOULEH Directeurs de thèse : Emmanuel BOUTILLON et Catherine DOUILLARD Encadrants : Charbel ABDEL NOUR et Laura CONDE-CANENCIA Soutenance de thèse 12/09/2017 Soutenance de thèse 12/09/2017 Plan de la présentation 2 1. Contexte de la thèse. 2. Optimisation de la diversité de constellation. 3. Optimisation conjointe des codes LDPC non binaires et des modulations d’ordre élevé. 4. Conclusion et perspectives. Soutenance de thèse 12/09/2017 Plan de la présentation 3 1. Contexte de la thèse. 2. Optimisation de la diversité de constellation. 3. Optimisation conjointe des codes LDPC non binaires et des modulations d’ordre élevé. 4. Conclusion et perspectives. Soutenance de thèse 12/09/2017 Contexte général ●Volume de données important. ●Nombre croissant d’appareils connectés. ●Un réseau hyper interconnecté. ●Ressources spectrales limitées. 4 Augmenter l’efficacité spectrale. Soutenance de thèse 12/09/2017 Augmenter l’efficacité spectrale 5 01 11 00 10 Q I 01 11 00 10 Q I 01 11 00 10 Q I ●Augmenter l’efficacité spectrale : envoyer « m » bits par transmission. Modulations d’ordre élevé. ●Exemple : Modulation 4-QAM-> envoi de m=2 bits simultanément. Modulation 4-QAM Point de constellation envoyé Point reçu Bruit du canal -> Le point envoyé est dévié. Soutenance de thèse 12/09/2017 Augmenter l’efficacité spectrale 6 Besoin de code correcteur d’erreurs efficace. 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 0000 0001 0011 0010 Q I • Modulation 16-QAM -> m=4 bits transmis par utilisation canal -> système plus efficace. • Bruit de canal plus influent-> plus d’erreurs 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 0000 0001 0011 0010 Q I Soutenance de thèse 12/09/2017 Codage canal 7 K Bits d’info Canal de transmission N bits codés N>K Encodeur Modulateur Démodulateur Décodeur Efficacité spectrale : bit/s/Hz Schéma de transmission N/m symboles m N K CSI Nombre de bits par transmission Soutenance de thèse 12/09/2017 8 Canal de transmission W X Y   Diffusion point à point Canal Gaussien Soutenance de thèse 12/09/2017 9 Canal de transmission W X Y   Canal de Rayleigh Diffusion terrestre Canal Gaussien Soutenance de thèse 12/09/2017 10 Canal de transmission Canal de Rayleigh avec effacement. W X e Y   e{0, 1} Canal Gaussien Soutenance de thèse 12/09/2017 11 Schéma de codage Deux schémas de codage possibles. • Bit-interleaved coded modulation (BICM). Association de code correcteur d’erreur binaire et d’une modulation non-binaire. (LDPC + Entrelaceur + modulation non binaire) • Coded modulation (CM). Association de code correcteur d’erreur non-binaire et d’une modulation non-binaire. (LDPC-NB + modulation non binaire) Soutenance de thèse 12/09/2017 12 N bits codés N>K Encodeur M-aire Modulateur Dé- modulateur Décodeur N/m signaux à envoyer Bit-interleaved coded modulation K Bits d’info Bit interleaver Bit de- interleaver h w e{0;1} Coefficient d’effacement Coefficient de Rayleigh Bruit Gaussien m bits par symbole mapping m-aire U C’ C Sm Calcul de LLR binaire Û R m LLR /symbole CSI Soutenance de thèse 12/09/2017 13 Coded modulation K Bits d’info N bits codés N>K Encodeur Non-binaire Modulateur Démodulateur Décodeur non-binaire h w e{0;1} Coefficient d’effacement Coefficient de Rayleigh Bruit Gaussien U Û C LLRs symbole N/m signaux à envoyer CSI m q 2  Soutenance de thèse 12/09/2017 14 4 bits d’information envoyés. 1 bit d’incertitude. 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 0000 0001 0011 0010 Q I 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 0000 0001 0011 0010 Q I Capacité de transmission ? ? 3 bits transmis. Soutenance de thèse 12/09/2017 15 Capacité de transmission 4 bits d’information envoyés. 2 bits d’incertitude. 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 0000 0001 0011 0010 Q I 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 0000 0001 0011 0010 Q I ? ? 2 bits transmis. ? ? Soutenance de thèse 12/09/2017 16 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 0000 0001 0011 0010 Q I • Pour un point y reçu, l’incertitude sur X est donnée par l’entropie • La quantité d’information envoyée : • L’information mutuelle moyenne : Evaluée par simulation de Monte Carlo.   ) \ ( ) ; ( y X H E m Y X I   Capacité de transmission ) \ ( ) ; ( y X H m y X I   ) \ ( y X H La capacité de canal est la limite théorique absolue, appelée limite de Shannon. Elle est définie par: ) ; ( max Y X I C X  Soutenance de thèse 12/09/2017 17 Information mutuelle et performances Les courbes d’information mutuelle : CM et la BICM, 256-QAM et canal Gaussien. Courbes de décodage : Codes LDPC Vs codes LDPC-NB- GF(256), rendement 1/2, 64000 bits, canal Gaussien, 0,7 dB Soutenance de thèse 12/09/2017 18 Comment améliorer les performances? Limite de Shannon Constellation adaptée au canal => décale l’information mutuelle. SNR BER Soutenance de thèse 12/09/2017 19 Comment améliorer les performances? Limite de Shannon Constellation adaptée au canal => décale l’information mutuelle. Code correcteur d’erreur optimisé Déplace la courbe de performance. SNR BER Soutenance de thèse 12/09/2017 20 Peu d’études concernent les avantages de l’association des codes non binaires et des modulations non binaires. Quels avantages présente le schéma de transmission en modulation codée ? Comment améliorer les modulations codées ? Problématiques Soutenance de thèse 12/09/2017 Plan de la présentation 21 1. Contexte de la thèse 2. Optimisation de la diversité de constellation 3. Optimisation conjointe des codes LDPC non binaires et des modulations d’ordre élevé. 4. Conclusion et perspectives Soutenance de thèse 12/09/2017 22 La Diversité de constellation (Signal Space Diversity) • La diversité de constellation est une forme de diversité qui s’intéresse à la partie modulation (Signal Space Diversity). • C’est une technique innovante introduite dans la norme DVB-T2. • Deux points clés sont nécessaires pour une bonne application de cette technique de diversité. 1. Rotation de la constellation. 2. Entrelacement entre I et Q. Soutenance de thèse 12/09/2017 23 La Diversité de constellation (Signal Space Diversity) Q I Corréler l’information portée par les composantes (I) et (Q). Rotation de la constellation. Entrelacement entre I et Q. Evanouissement et/ou effacement indépendant entre (I) et (Q). Plus de diversité en appliquant la rotation et l’entrelacement des composants (I) et (Q) Q I Q I Q I Effacement de I Soutenance de thèse 12/09/2017 24 Optimisation de la diversité de constellation • On propose de déterminer l’angle de rotation par une optimisation de l’information mutuelle. Maximiser l’information mutuelle. Paramètre à optimiser : angle de rotation. Nombreuses méthodes d’optimisation : Minimiser le FER (=> simulation) Un compromis entre la distance de Hamming et la distance produit de la constellation initiale et de ses projections sur I et Q. Soutenance de thèse 12/09/2017 25 L’IM en fonction de l’angle de rotation ) ; ( ) ( Y X I MI CM CM SNR   ) ; ( ) ( Y X I MI BICM BICM SNR   ) 0 ( ) ( , CM SNR CM SNR MI MI     ) 0 ( ) ( , BICM SNR BICM SNR MI MI     ) ( ) ( ,    BICM SNR CM SNR MI MI   1. 2. 3. 0,2bit/s/Hz 0,07bit/s/Hz  CM opt  BICM opt  Soutenance de thèse 12/09/2017 26 Meilleur angle de rotation en fonction du SNR Angle de rotation optimal en fonction du SNR   ] 90 .. 0 [ ) ( max arg ) (    CM SNR CM opt MI SNR    ] 90 .. 0 [ ) ( max arg ) (    BICM SNR BICM opt MI SNR  32°     32 SNR CM opt  Soutenance de thèse 12/09/2017 27 Meilleur angle de rotation en pour les forts SNRs 31,7° L’angle de rotation optimal a été déjà proposé pour les forts SNR par Giraud et al. [1]. Le principe est de maximiser la valeur de « Distance produit » [1] X. Giraud, K. Boulle and J. C. Belfiore, "Constellations Designed for the Rayleigh Fading Channel," IEEE International Symposium on Information Theory, 1993. Soutenance de thèse 12/09/2017 28 Meilleur angle de rotation en fonction du SNR Accroissement des gains de performance en fonction du SNR ) 0 ( ) ( ) ( CM SNR opt CM SNR CM gain MI MI SNR MI    ) 0 ( ) ( ) ( BICM SNR opt BICM SNR BICM gain MI MI SNR MI    0 ) ( 2  p p m 0,1 2 mp • Canal de Rayleigh avec effacement: • Pas de constellation tournée pertes : • Constellation tournée pertes : mp Soutenance de thèse 12/09/2017 29 0,15 bit/s/Hz Gain d’IM négligeable pour le BICM On peut étendre l’étude de l’impact de l’angle de rotation sur l’IM sur différentes constellations e.i. 256-QAM, 64-QAM uploads/Ingenierie_Lourd/ bruit-gaussiene 1 .pdf