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Séminaire "Energy Efficient Waveforms"
Rennes, 11/06/2019
1. Synthèse
Cette journée a été co-organisée par Karine Amis et Frédéric Guilloud (IMT Atlantique), Yves Louët (CentraleSupelec), Charly Poulliat (INP Toulouse) et Christophe Jego (INP Bordeaux), dans le cadre du GDR ISIS et conjointement avec le séminaire scientifique PRACOM.
L’équipe organisatrice remercie le soutien financier du GDR ISIS, de PRACOM et du CNRS dont les aides ont contribué à la réussite de cette journée.
Cette journée a réuni 36 participants, dont 28 académiques issus des laboratoires LAB-Sticc (Brest, Lorient, St-Cyr), IETR (Rennes), IRISA (Rennes, Lannion), IMS (Bordeaux), IRIT (Toulouse), SpadicLab (Parme, Italie), ETIS (Cergy-Pontoise) et Ampère (Lyon), et 8 industriels issus du CEA Leti (Grenoble), CEA (Saclay), DGA-MI (Rennes), Safran (Paris) et Thalès (Paris).
A l’issue de cette journée, une proposition d’appel à session spéciale dans la revue Annals of Telecommunications a été acceptée.
2. Résumé des présentations
"Reception of LoRa Signals from LEO Satellites", Giulio Colavolpe (SPADiCLab, Univ. Parma)
The detection of LoRa signals from a low-Earth orbit (LEO) satellite is considered. The use of a LEO satellite to collect messages from the terminals, as an alternative to terrestrial base stations in rural areas, represents a major challenge due to the specific impairments of this scenario, e.g. Doppler effects and interfering signals. A redesign, whose validation is assessed through a system simulator operating in a realistic scenario, is thus required.
"A Novel Modulation for IoT: PSK-LoRa", Marwa Chafii (ETIS, ENSEA)
This work addresses the energy consumption concern of LPWAN by proposing an extension for the LoRa modulation. Conventional LoRa encodes data in the frequency shift of a chirp, our extension consists in encoding additional data in the phase-shift using the PSK modulation, giving rise to the PSK-LoRa. Because PSK-LoRa encodes more data per unit of time, it allows shorter transmissions than LoRa, hence being more energy efficient. In order to assess the performance of PSK-LoRa, we derive approximate bit error rate and packet error rate expressions, and then we compare against simulation. Both analytical and numerical outcomes demonstrate that PSK-LoRa have no performance loss in comparison to QPSK-LoRa, indicating the feasibility of the new scheme.
"Flight test and Launchers telemetry: from PCM/FM and on-board recording to real-time new CPM schemes", Alain D. Thomas (SAFRAN Aerosystems)
Pulse code modulation (PCM)/ frequency modulation (FM) is a continuous phase modulation (CPM h=0.7 ) that has been the most popular telemetry modulation for flight tests and launchers since about 1970. However the air traffic boom and the increasing number of sensors on-board have changed flight test paradigm from data recorder and off-line processing coupled with low rate telemetry for security data to real-time high rate telemetry for interactive testing and shortening certification time. Spectrum scarcity has led telemetry community to new CPM schemes from FQPSK in the early 90’s to STC-SOQPSK-TG. The ever increasing need of bandwidth for 4G/5G market requires from telemetry user to move now from S band to C Band and to cope with higher Doppler rate and higher Doppler spreaded channel. This telemetry history and its requirements will be presented and a focus will be done on the last CPM waveforms used with space time coding to prevent datalink from porcupine and masking effects.
"De la physique quantique aux communications numériques : Application d’une nouvelle forme d’onde pour des transmissions haut débit et basse consommation à très faibles fréquences", Haïfa Fares et Karim Kassan (IETR, CentraleSupélec)
Communiquer à distance a toujours été une préoccupation fondamentale de l’humanité. Dès les premiers développements de la téléphonie puis de la radio, les signaux ont été adaptés au canal de transmission par le biais de modulation d’amplitude ou de phase d’une onde porteuse sinusoïdale. Tous ces procédés de modulation sont caractérisés par des signaux à spectre bilatérale, c’est-à-dire un spectre symétrique centré autour de la fréquence porteuse présentant des composantes de fréquences au-dessous et au-dessus de cette fréquence porteuse. Vu que la bande inférieure renferme généralement la même information que celle contenue dans la bande supérieure, le moyen le plus trivial permettant d’optimiser l’occupation spectrale en gardant qu’une seule bande latérale est le filtrage passe–bande. Il consiste à supprimer, après génération du signal modulé, la bande latérale non désirée. Par ailleurs, récemment, Christian Glattli et son équipe au CEA Saclay ont réalisé en 2013 pour la première fois ce que Leonid Levitov, physicien du MIT Boston, avait prédit il y a une vingtaine d’années. Ils ont réussi à injecter quelques électrons dans un conducteur sans que ceux-ci y apportent de perturbations. En appliquant une impulsion élémentaire de tension de type Lorentzienne, un état pur d’électron unique était créé. Cet état baptisé par les chercheurs « léviton » peut être défini comme une nouvelle quasi-particule avec une excitation minimale. L’onde quantique électronique obtenue, se propage sans bruit et sans déformation. Ces résultats expérimentaux ont été partiellement publiés dans Nature. Dans ce contexte, il a été également constaté que le spectre en énergie acquis par les électrons (le spectre en fréquence) était curieusement à bande latérale unique (BLU) : la libération d’un électron pur ne crée plus de trou d’où l’absence de la bande d’énergie inférieure relative à ce trou. De cela est née l’idée d’exploiter cette propriété spectrale originale non seulement aux ondes électroniques quantiques mais aussi à tous types d’ondes : électromagnétiques, acoustiques, etc. Transposée directement au domaine des communications numériques, une nouvelle modulation de phase à enveloppe constante dont la dérivée des impulsions de phase est de type Lorentzienne a été définie afin de générer un signal à spectre unilatéral totalement asymétrique (c’est-à-dire concentré à droite ou à gauche de la fréquence porteuse) directement sans post-filtrage particulier comme cela est fait jusqu’à présent dans les systèmes à BLU.
"Optimization of channel codes (Convolutional Codes, Turbo Codes and LDPC) for CPM and precoded CPM", Adrien Le Naour (Thalès Communications)
"Spatially-coupled coded CPM", Tarik Benaddi (Lab-STICC, IMT Atlantique)
Continuous Phase Modulation (CPM) is a class of nonlinear coded modulations where the phase transitions are kept continuous from one symbol to the other. Thanks to its constant envelope, it can be used with embedded amplifiers that operate near the saturation regime and with nonlinear channels. In this talk, we will present a method to spatially couple a serially concatenated scheme composed of a simple outer code and a continuous phase modulator. Through an asymptotic analysis, we will show that this scheme demonstrates very competitive thresholds and by optimizing the coupling matrices, we show that the convergence rate can be increased.
"Quasi Cyclic Short Packet", Emmanuel Boutillon (Lab-STICC, Univ. Bretagne Sud)
La transmission d'un paquet de petite taille dans un réseau sans fil ALOHA (réseau de capteur non synchronisé par exemple) utilise tout d'abord un préambule pour permettre au récepteur de détecter l'arrivé du message, puis le message proprement dit, et enfin, la redondance pour protéger l'information contre d'éventuelles erreurs de transmission. Ce schéma est clairement sous optimal. En effet, la théorie de l'information nous enseigne que l'asynchronisme ne diminue pas la capacité du canal. La transmission d'un préambule est donc une pure perte d'énergie et de bande passante qui peut être théoriquement évitée. Dans cette présentation, nous décrivons une structure de parquet qui combine modulation CCSK (ou Cyclic Code Shift Keying) et un code correcteur d'erreurs non-binaire pour la transmission de message à très faible rapport signal à bruit. La structure CCSK de la modulation permet de considérer tout d'abord l'intégralité de la trame comme une séquence de synchronisation (ou préambule), puis, une fois détecté, comme un message codé par le code non binaire. Les premiers résultats de simulations montrent une capacité de réception à des rapport signal à bruit largement négatif (i.e. inférieur à -15 dB). Cette structure permet de plus de s'adapter à un schéma ARQ. En effet, l'utilisation d'un code non-binaire associé avec la modulation CCSK permet de réduire en moyenne de 20% le nombre de répétitions comparé à la solution proposée dans le standard Narrow Band LTE, ce qui réduit d'autant la consommation énergétique au niveau de l'émetteur.
"Turbo-FSK: A flexible and power efficient modulation for the internet-of-things", Vincent Berg (CEA Leti)
Turbo-FSK is a constant envelope waveform based on an orthogonal alphabet (the FSK codeword) combined with a set of parallel concatenated simple convolutional codes. It is decoded with a turbo-like decoder to allow operating at very low levels of receiver power (high sensitivity performance) and very low levels of energy per bit. The scheme combined with a linear alphabet and puncturing is not only efficient but also flexible. The aim of the presentation is to introduce the new waveform from its theoretical principles to field trials. Topics will cover the theoretical principles of turbo-FSK, the waveform design and tradeoff, comparison with current technologies as well as practical receiver aspects such as channel estimation and synchronization at very low SNR. Finally, over-the-air field trials performed in the 868MHz ISM band will be discussed and compared to state-of-the-art technologies in an urban propagation environment.
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