Study of the RX data path in a UMTS-FDD unit and development of a codesign methodology targetting real-time performance.

Etude du bloc de réception dans un terminal UMTS-FDD et développement d'une méthodologie de codesign en vue du fonctionnement en temps réel.

Eric Batut (1)

1 LIS - Laboratoire des images et des signaux

UMTS is a new radiocommunication standard aimed at solving today's second generation networks' problems that are local saturation and slow bitrates. UMTS and previous networks sharing close to nothing regarding the radio link, network equipments as well as user equipments must be rebuilt from scratch. User equipments, in particular, must embed a lot more processing power than their older counterparts. After having introduced UMTS and the first to-be-deployed of its radio interfaces, the Wideband CDMA, we determined that the channel estimation prior to the Rake combining, assuming the receiver uses this well-known receiver structure, is the most complex task to be performed by the user equipment. An algorithmic solution to this problem is proposed through an iterative channel estimation algorithm which suppresses identified paths before trying to find new ones in the considered time window. This algorithm has a major drawback : its computational complexity varies quadratically with the oversampling factor, and thus forbids to work with high oversampling factors, which are the key to a precise channel delay estimation. An optimized version of this algorithme is proposed, whose complexity scales linearly with the oversampling factor, against a quadratic variation for the original one, and who does not cause a noticeable performance loss. The optimized channel estimation algorithm is therefore suitable for a constrained environment such as a user equipment. Furthermore, the performed optimization has the side effect of making the proposed algorithm much more suitable for a hybrid hardware-software implementation than for a pure software one. A system-level design flow is then proposed to realize this hybrid architecture while kee- ping a fast prototyping approach in mind. This methodology revolves around CoWare's N2C environment and uses a superset of the C language called CoWareC. CoWareC includes several constructs needed to describe partitionned systems and hardware structures. The proposed al- gorithm is mapped onto a hybrid architecture composed of a ST100 DSP core and a hardware coprocessor. Due to major software issues, this hybrid implementation could not be developped following the proposed methodology, but interesting results were nonetheless obtained from a pure software implementation. The application of the first steps of the proposed methodology to the channel estimation algorithm yielded interesting results and suggestions for the improve- ment of the N2C tool. Then, hints are given for the development of a real hybrid prototype and the adequation of the proposed methodology to a fast prototyping environment is discussed.

L'UMTS est un nouveau standard de radiocommunications mobiles destiné à résoudre les problèmes des actuels réseaux de deuxième génération, proches localement de la saturation et limités dans leur offre de services multimédias par les faibles débits utiles supportés. L'UMTS représente une rupture technologique importante et nécessite un effort particulier pour la réa- lisation des équipements, car la complexité des traitements à effectuer a augmenté dans des proportions considérables. Les terminaux 3G, par exemple, devront embarquer une puissance de calcul supérieure de plus d'un ordre de grandeur à celle embarquée par leurs prédécesseurs. Après avoir introduit l'UMTS et une de ses interfaces radios, le Wideband CDMA, nous avons identifié l'estimation par le terminal du canal radiomobile par lequel a transité le signal émis par la station de base comme étant une des tâches susceptibles d'entraîner le plus grand nombre d'opérations à effectuer. Une solution originale à ce problème est proposée sous la forme d'un algorithme d'estimation itérative de canal à suppression de trajets. La complexité calculatoire de cet algorithme a l'inconvénient majeur de varier avec le carré du facteur de suréchantillonnage, ce qui empêche de travailler avec une valeur élevée de celui-ci, et par consé- quent ne permet pas d'obtenir une grande précision quant à l'estimation des instants d'arrivée des trajets. Ce problème est résolu en introduisant une version optimisée de cet algorithme, dont la complexité varie linéairement avec le facteur de suréchantillonnage. Conserver une com- plexité raisonnable tout en travaillant avec des facteurs de suréchantillonnage élevés devient réaliste, ce qui permet d'accéder à coût égal à une précision plus élevée qu'avec l'algorithme origininal. De plus, cette optimisation simplifie les opérations élémentaires effectuées par l'algo- rithme, ce qui a pour conséquence de rendre son implémentation sur une architecture hybride matérielle-logicielle plus efficace que son implémentation sur un seul processeur de signal. Une méthodologie de conception au niveau système est ensuite proposée pour réaliser cette architecture hybride dans un but de prototypage rapide. Cette méthodologie, bâtie autour du logiciel N2C, de la société CoWare, utilise un langage de haut niveau, surensemble du langage C auquel ont été rajoutées les constructions nécessaires pour décrire des architectures matérielles. L'algorithme est partitionné en une partie logicielle s'exécutant sur un cœur de DSP ST100 et un coprocesseur réalisé en logique câblée. De sévères incompatibilités logicielles ont empêché la réalisation de cette architecture hybride selon la méthodologie proposée, mais des résultats intéressants ont néanmoins été obtenus à partir d'une implémentation purement logicielle de l'algorithme proposé. L'architecture obtenue avec l'application des premières étapes de la méthodologie proposée à l'algorithme d'estimation de canal est décrite, ainsi que quelques suggestions faites à la société CoWare, Inc. pour l'amélioration de leur outil. Enfin, l'adéquation de la méthodologie proposée à un environnement de prototypage rapide est discutée et des pistes pour la réalisation d'un éventuel démonstrateur sont données.

Mots clés: RAKE receiver; channel estimation; computational complexity

Mots clés: UMTS; FDD; WCDMA; récepteur RAKE; searcher; estimation de canal; complexité; codesign; CoWare; ST100

Domaines: Traitement du signal et de l'image [eess.SP]

Eric Batut. Etude du bloc de réception dans un terminal UMTS-FDD et développement d'une méthodologie de codesign en vue du fonctionnement en temps réel.. Traitement du signal et de l'image [eess.SP]. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2002. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00512307⟩