Transmission au-delà de la cadence de Nyquist pour les liaisons vidéo pour drones

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1 Transmission au-delà de la cadence de Nyquist pour les liaisons vidéo pour drones Albert Abelló 1,2 Damien Roque 2, Jean-Marie Freixe 1 et Nghia Pham 1 1 Eutelsat S.A. 2 ISAE-SUPAERO 12 mai 2016 Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

2 Plan 1 Contexte : transmission vidéo sur voie retour 2 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale 3 Simulations sur canal à bruit additif 4 Synthèse et perspectives des travaux Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

3 Contexte : transmission vidéo sur voie retour 1 Contexte : transmission vidéo sur voie retour 2 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale 3 Simulations sur canal à bruit additif 4 Synthèse et perspectives des travaux Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

4 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Retour vidéo au-delà de la vue directe Contraintes applicatives Maîtrise du délai de transmission pour le télé-pilotage du drone. Faible consommation de l émetteur (amplification, complexité...). Haute efficacité spectrale : allocation de bande fixée et haut débit. En DVB-RCS2 : allocation dédiée (SCPC) et forme d onde à (re)définir. Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

5 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

6 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

7 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Comment augmenter l efficacité spectrale à bande constante? Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

8 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Comment augmenter l efficacité spectrale à bande constante? Augmenter taille constellation M Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

9 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Comment augmenter l efficacité spectrale à bande constante? Augmenter taille constellation M d sym Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

10 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Comment augmenter l efficacité spectrale à bande constante? Augmenter taille constellation M d sym P e Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

11 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Comment augmenter l efficacité spectrale à bande constante? Augmenter taille constellation M d sym P e Réduire l espacement entre symboles T s Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

12 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Comment augmenter l efficacité spectrale à bande constante? Augmenter taille constellation M d sym P e Réduire l espacement entre symboles T s introduire de l interférence Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

13 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Comment augmenter l efficacité spectrale à bande constante? Augmenter taille constellation M d sym P e Réduire l espacement entre symboles T s introduire de l interférence que l on peut modéliser Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

14 Contexte : transmission vidéo sur voie retour Contraintes de la couche physique Énergie par bit E b Probabilité d erreur P e } Débit binaire R b Bande occupée B Complexité de décodage η = R b B = log 2M T sb Comment augmenter l efficacité spectrale à bande constante? Augmenter taille constellation M d sym P e Réduire l espacement entre symboles T s introduire de l interférence que l on peut modéliser et annuler avec un recepteur plus complexe. Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

15 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale 1 Contexte : transmission vidéo sur voie retour 2 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale 3 Simulations sur canal à bruit additif 4 Synthèse et perspectives des travaux Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

16 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale Modélisation de l interférence {x[k]} s(t) y(t) y[m] g ǧ H Décision mt s {ˆx[k]} n(t) (AWGN) s(t) = + k= Canal discret équivalent sans bruit x[k] g(t kt s ), x[k] A, A = M (1) h[l] = (g ǧ H )(lt s ), l {0,..., L 1} Modélisation de l interférence [4] Si 1 T s B, le système peut avoir h[l] = δ 0,l (Nyquist) Si 1 T s > B, inévitablement h[l] δ 0,l (Mazo) [3] Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

17 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale Système faster-than-nyquist (FTN) Introduction du traitement non-linéaire: turbo-égalisation {a[n]} {b[k]} {c[k]} {x[i]} Conversion Codeur Entrelaceur bit symbole g s(t) {â[n]} Turbo-égaliseur y[m] mt s y(t) ǧ H r(t) n(t) Figure: Schéma bloc du système FTN présenté [5] Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

18 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale Structure du turbo-égaliseur Turbo-égalisation [6]: échange itératif [2] entre deux blocs Égaliseur: deux approches connaissant h[l], l {0,..., L 1} Minimisation de l erreur quadratique moyenne (MMSE) (complexité en O(ML)) Maximum a Posteriori (MAP) (complexité en O(M L )) Décodeur y Lext(ĉ[k] p) Entrelaceur + Lext(ˆb[k] p) L(ˆb[k] p) â[k] Égaliseur MMSE ou MAP Décodeur MAP ou LDPC L(ĉ[k] y) Lext(ĉ[k] y) + Desentrelaceur Lext(ˆb[k] y) Figure: Turbo-égaliseur Nombre d opérations MMSE MAP Longueur de canal L Figure: Complexité de l égaliseur pour M = 2, 4, 8 Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

19 Simulations sur canal à bruit additif 1 Contexte : transmission vidéo sur voie retour 2 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale 3 Simulations sur canal à bruit additif 4 Synthèse et perspectives des travaux Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

20 Simulations sur canal à bruit additif Paramètres de simulation Paramètres fixés Constellation : BPSK ou QPSK (faible PAPR). Mise en forme : SRRC (roll-off α = 0, 15). 1 Densité : T sb = 1, 4 (60 % de gain en efficacité spectrale). Paramètres variables Égaliseur : MMSE ou MAP. Codage correcteur d erreurs : convolutif (7, 5) 8, L c = 2, R c = 1/2 ; LDPC (DVB-S2), R c = 1/2. Nombre d itérations turbo (de 1 à 5) et LDPC (de 5 à 10). Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

21 Simulations sur canal à bruit additif Quel est le coût d un délai réduit? 10 1 N = 512 N = 256 N = 64 N = 16 TEB E b /N 0 (db) Figure: Impact de la taille des trames sur les performances du turbo-égaliseur MAP-MAP avec code (7, 5) 8, L c = 2, R c = 1/2 et 4 itérations turbo. Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

22 Simulations sur canal à bruit additif Performances FTN MMSE-LDPC 10 1 Nyquist turbo iter Nyquist turbo iter 1 TEB turbo iter 2 turbo iter 3 turbo iter 4 turbo iter 5 TEB turbo iter 2 turbo iter 3 turbo iter 4 turbo iter E b /N 0 (db) (a) 10 itérations LDPC E b /N 0 (db) (b) 5 itérations LDPC Figure: Performances FTN MMSE-LDPC avec L = 9, 1 T sb = 1, 4 Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

23 Simulations sur canal à bruit additif Performances FTN MAP-LDPC avec canal tronqué 10 1 Nyquist turbo iter Nyquist turbo iter 1 TEB turbo iter 2 turbo iter 3 turbo iter 4 turbo iter 5 TEB turbo iter 2 turbo iter 3 turbo iter 4 turbo iter E b /N 0 (db) (a) MAP à 3 coefficients (L = 3) E b /N 0 (db) (b) MAP à 5 coefficients (L = 5) Figure: Performances FTN MAP-LDPC avec 1 T sb = 1, 4 et 5 itérations LDPC Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

24 Synthèse et perspectives des travaux 1 Contexte : transmission vidéo sur voie retour 2 Faster-than-Nyquist pour augmenter l efficacité spectrale 3 Simulations sur canal à bruit additif 4 Synthèse et perspectives des travaux Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

25 Synthèse et perspectives des travaux Conclusions et perspectives Quels sont les atouts du faster-than-nyquist? 1 Gain en efficacité spectrale : alternative aux schémas SCPC classiques en DVB-RCS2 [1]. 2 Dissociation entre B et R s : faible probabilité d interception. Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

26 Synthèse et perspectives des travaux Conclusions et perspectives Quels sont les atouts du faster-than-nyquist? 1 Gain en efficacité spectrale : alternative aux schémas SCPC classiques en DVB-RCS2 [1]. 2 Dissociation entre B et R s : faible probabilité d interception. Quelles sont les perspectives? 1 Compromis entre complexité de décodage et performances : simplification des égaliseurs (MAP tronqué, MMSE, approches hybrides) ; optimisation du codage et des impulsions de mise en forme. 2 Évaluation dans un contexte de guerre électronique : mesure de la probabilité d interception des signaux ; développement d algorithmes de synchronisation aveugles. Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16

27 References I Synthèse et perspectives des travaux A. Abello, D. Roque, J. Freixe, and S. Mallier. Performance evaluation of a faster-than-nyquist system based on turbo equalization and LDPC codes. In Wireless Innovation Forum Conference on Wireless Communications Technologies and Software Defined Radio, Joachim Hagenauer. The exit chart - introduction to extrinsic information transfer in iterative processing. In Proc. 12th Europ. Signal Proc. Conf (EUSIPCO, pages , J. E. Mazo. Faster-than-nyquist signaling. Bell System Technical Journal, 54(8): , H. Nyquist. Certain topics in telegraph transmission theory. American Institute of Electrical Engineers, Transactions of the, 47(2): , N. Pham, J.B. Anderson, F. Rusek, J.M. Freixe, and A. Bonnaud. Exploring faster-than-nyquist for satellite direct broadcasting. AIAA International Communications Satellite Systems Conference, pages 16 26, M. Tüchler and A.C. Singer. Turbo equalization: An overview. Information Theory, IEEE Transactions on, 57(2): , Albert Abelló (Eutelsat et ISAE-SUPAERO) Faster-than-Nyquist 12 mai / 16