[PDF] Méthodologie modèles et outils pour la conception de Learning

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M´ethodologie de conception appliqu´ee aux syst`emes de radiocommunications de quatri `eme g´en´eration

Arnaud Massiani, Fabienne Nouvel

IETR

20, avenue des Buttes de Co

¨esmes, 35 043 Rennes

Email: arnaud.massiani@insa-rennes.fr

fabienne.nouvel@insa-rennes.fr R´esum´e :Ce papier pr´esente l'application de l'ap- proche MCSE et de l'outil la supportant, CoFluent Stu- dio,`a la conception de syst`emes de radiocommunications num ´eriques. Les diff´erentes phases de conception fonc- tionnelle et de conception architecturale sont notamment d´etaill´ees. Les r´esultats sont pr´esent´es en consid´erant le cas d'un syst `eme de transmission bas´e sur la technique de modulation MC-CDMA. Mots-cl´es :m´ethodes de codesign, exploration architec- turale, radio logicielle.

1 INTRODUCTION

Les contraintes de fonctionnement des futures

g´en´erations de syst`emes de communications sans fil imposent la mise en oeuvre de m

´ethodes de conception

efficaces, s

ˆures et rapides. En effet, ces syst`emes se

veulent largement h ´et´erog`enes. Cette h´et´erog´en´eit´e se retrouve tant dans la diversit

´e des standards et des

diverses formes d'onde associ

´ees que dans les archi-

tectures mat ´erielles utilis´ees. L'´emergence d'une Radio

Logicielle appara

ˆıt comme une solution technologique

s ´eduisante pour leur r´ealisation. Elle induit cependant la n ´ecessit´e de d´efinir des syst`emes reconfigurables, et ce des couches hautes de protocoles jusqu'aux interfaces physiques [Arndt, 2001, Kountouris, 2000]. L'objectif des m ´ethodes de conception conjointe est alors de facili- ter le passage d'une sp

´ecification vers une r´ealisation ou

une int ´egration sur une plate-forme prototype. Pour ce faire, diff ´erentes´etapes peuventˆetre identifi´ees : - l' ´elaboration des sp´ecifications par l'utilisation de m ´ethodes et de langages orient´es objets tels que UML (Unified Modeling Language), - la simulation fonctionnelle du syst `eme`a partir d'une mod

´elisation de l'application pouvant prendre en

compte aussi bien les fonctions de contr

ˆoles que de

traitements, - l'exploration architecturale afin de d

´efinir une architec-

ture ad

´equate et d'en´evaluer les performances,

- la g ´en´eration de codes et l'int´egration de fonctions IP (Intellectual property) pr´e-conc¸ues afin de faci- liter voire d'automatiser la phase de r

´ealisation et

d'int

´egration.

En offrant une r

´eponse`a ces diff´erents points, l'ap-

plication dans un tel contexte de la M

´ethodologiepour la Conception de Syst

`emes Electroniques (MCSE) [Calvez, 1990] peut se r

´ev`eler particuli`erement

int ´eressante. Ce papier vise donc`a illustrer l'int´erˆet de l'approche MCSE pour la conception de syst `emes de radiocommunications num

´eriques. Cette approche

est ainsi appliqu

´ee`a la conception d'un syst`eme de

communications num

´eriques bien pr´ecis. Les diff´erentes

etapes de cette d´emarche sont tout d'abord pr´esent´ees en section 2. La section 3 vise `a rappeler les´el´ements de sp ´ecifications et de dimensionnement de syst`emes de communications num

´eriques. Nous abordons notam-

ment l'exemple d'un syst `eme bas´e sur la technique de modulation `a porteuses multiples et`a acc`es multiple par r

´epartition de codes (MC-CDMA pourMultiple

Carrier-Code Division Multiple Access). Le mod`ele de conception fonctionnel pr

´econis´e par l'approche MCSE

est d ´ecrit en section 4. La section 5 pr´esente le mod`ele de description de l'architecture. L'architecture de proto- typage consid ´er´ee dans le cadre de nos d´eveloppements est alors pr ´esent´ee. Les possibilit´es et les r´esultats d'exploration architecturale sont enfin d

´ecrits au cours de

la section 6. Finalement, en conclusion nous rappelons les diff ´erents points de notre´etude et pr´esentons les axes actuellement en cours d'analyse.

2 ETAPES DE CONCEPTION ASSOCI´EES`A

L'APPROCHE MCSE

La M ´ethodologie pour la Conception de Syst`emes Elec- troniques (MCSE) est une d

´emarche globale descendante

de conception. Elle repose sur un ensemble de mod `eles et de m ´ethodes permettant de simplifier le passage d'une sp ´ecification d'un syst`eme`a une r´ealisation mat´erielle.

Cette d

´emarche s'articule autour de quatre´etapes succes- sives, d

´efinissant un flot en 'Y' classique :

- l' ´elaboration des sp´ecifications, qui consiste en la d ´efinition la plus pr´ecise possible des contraintes fonc- tionnelles du syst `eme et de ses interactions avec son environnement. - La conception fonctionnelle vise `a d´efinir et`a valider une solution interne du syst `eme et ce ind´ependemment de toute contrainte mat

´erielle.

- La conception architecturale permet de dimensionner et d'analyser la mise en oeuvre de la solution fonction- nelle. - L'´etude de la r´ealisation consiste`a int´egrer les diff ´erentes solutions mat´erielles et logicielles elabor´ees.

Cette approche est actuellement sup-

port´ee par l'outil CoFluent Studio [CoFluent Studio, 2005], [Le Moigne, 2003]. Cet outil permet la saisie graphique des mod `eles associ´es`a chaque ´etape, il facilite et automatise donc les diff´erentes etapes de conception. Si cette approche a fr´equemment´et´e consid´er´ee pour des applications de contr

ˆole-commande [Calvez, 1990], elle

se r ´ev`ele´egalement adapt´ee au cas de syst`emes de com- munications num

´eriques. Les mod`eles de conceptions

fonctionnelles et architecturales permettent en effet une analysecompl `ete de tels syst`emes. Parla suite, nous illus- trons chacune de ces

´etapes par l'analyse d'une applica-

tion bas

´ee sur la technique de transmission MC-CDMA.

3 ELABORATION DES SP

´ECIFICATIONS D'UN

SYST`EME DE RADIOCOMMUNICATIONS

3.1 D ´emarche d'´elaboration de sp´ecifications

Les sp

´ecifications fonctionnelles de la couche physique d'un syst `eme de radiocommunications sont classique- ment issues des propri

´et´es du canal de propagation pour

lequel il est dimensionn

´e. Compte tenu des propri´et´es sta-

tistiques de ce canal il est possible de d

´efinir une forme

d'onde et une modulation ad

´equate. Les caract´eristiques

de cette modulation sont d

´efinies notamment en fonction

de la mobilit

´e souhait´ee du syst`eme ou en fonction de

la pr ´esence de trajets multiples, caract´eristiques de l'en- vironnement de propagation. Les contraintes de d

´ebit et

d'efficacit ´e spectrale permettent´egalement de compl´eter ce dimensionnement. Dans cet article, nous aborderons uniquement les fonctions de traitement num

´erique du

syst `eme de radiocommunications consid´er´e.

3.2 Pr

´esentation du syst`eme bas´e sur la technique

MC-CDMA

La technique MC-CDMA est un candidat

`a tr`es fort potentiel pour la liaison descendante, des stations de base vers les mobiles [Steendam, 2002], [Hara, 1997].

En effet, les propri

´et´es de cette technique r´epondent aux

contraintes de tr `es haut d´ebit et de forte mobilit´e. Elle se pr ´esente comme une association de l'´etalement de spectre par s ´equence directe et de la modulation`a porteuses multiples selon un multiplex fr

´equentiel de type OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplex). Elle permet ainsi de tirer parti des avantages de ces deux modulations. En´emission, le signal est´etal´e sur chaque sous-porteuse en utilisant un code d'

´etalement de longueurLcdans le

domaine fr

´equentiel, propre`a chaque utilisateur. LesNu

diff ´erents utilisateurs,´etant distingu´es par leur s´equence d' ´etalement, peuvent acc´eder aux mˆemes sous-porteuses.

Le dimensionnement du syst

`eme MC-CDMA passe par une association judicieuse des param `etresNu(Nombre d'utilisateurs),Lc(Longueur des codes d'´etalement),Np (Nombre de sous-porteuses). En outre, l'application de codes orthogonaux garantitl'absence d'interf

´erences d'acc`es multiples au niveau du

r ´ecepteur, dans le cas d'un canal gaussien. Cependant, dans un canal `a´evanouissements s´electifs en fr´equence, l'orthogonalit

´e entre les signaux de chaque utilisateur

dispara ˆıt et des interf´erences d'acc`es multiples appa- raissent. Diff

´erentes techniques d'´egalisation aux per-

formances et aux complexit

´es d'int´egration diff´erentes

peuvent ˆetre utilis´ees en r´eception, le MRC (Maximum

Ratio Combining), le EGC (Equal Gain Combining),

l'ORC (Orthogonal Restoring Combining) et le MMSE (Minimum Mean Square Error) [Kaiser, 1998]. Cette etape d'´egalisation s'ins`ere alors, en r´eception, entre les op ´erations de d´emodulation OFDM et de d´es´etalement selon la s ´equence d'´etalement de l'utilisateur consid´er´e.

Unsyst

du sch

´ema bloc,illustr´e sur la figure 1.

Modualt°

binaire symbole

Entrée

Série 2N bits

Etalem-

ent Entrelace- ment

Fréquentiel

IFFT Canal de

Propa-

gation

Insertion

Intrervalle

de Garde

Extract-

ion

Intervalle

de Garde

Désétal-

ement d N-1

FFT Egalisation

Estimation

des coefficients du canal

Désentrelace-

ment

Fréquentiel

Sortie

Série

2N bits

d 1 d 0 d N-1 d 1 d 0 P S S P FIG. 1 -Repr´esentation du syst`eme d'´emission/r´eception bas´e sur la technique MC-CDMA. l'outil CoFluent Studio permet la mod

´elisation fonction-

nelle compl `ete du syst`eme.

4 ETAPE DE CONCEPTION FONCTIONNELLE

4.1 Mod

´elisation fonctionnelle selon l'approche

MCSE

Le mod

`ele fonctionnel repose sur trois vues compl

´ementaires [Calvez, 1996]. Tout d'abord, la

vue organisationnelle repr

´esente les d´ependances de

donn ´ees entre les diff´erents´el´ements fonctionnnels. A ce niveau, les donn

´ees peuventˆetre repr´esent´ees par

des ports de communication, des variables partag

´ees

ou des signaux de synchronisation. En compl

´ement, le

point de vue comportemental d

´efinit le comportement

s ´equentiel interne de chaque fonction. L'association de ces deux vues permet donc une mod

´elisation compl`ete

adapt ´ee`a des syst`emes de Radio Logicielle, associant contr ˆole (gestion de la reconfiguration) et flot de donn´ees (traitements n

´ecessaires). Enfin, la vue algorithmique

correspond `a l'algorithme de chaque op´eration, saisi en langages C-C++ ou SystemC, et `a la d´efinition de chacun des types de donn

´ees.

La mod

´elisation obtenue est compl`etement ex´ecutable, ce qui permet une v

´erification du bon fonctionnement du

syst `eme. Cette ex´ecution repose sur un mod`ele prenant en compte pour la simulation temporelle la valeur des attri-

buts fonctionnels saisis par l'utilisateur. Ces attributs cor-respondent notamment`a la dur´ee d'ex´ecution de chaque

op ´eration, les caract´eristiques des´echanges de donn´ees, la taille des FIFO (First In First Out) ...

La phase de validation fonctionnelle consiste

`a v´erifier le comportement global du syst `eme ainsi que la vali- dit ´e de chaque fonction algorithmique. L'outil de simu- lation offre alors la possibilit

´e d'observer et de contrˆoler

l'ordonnancement de l'ex

´ecution des diff´erentes fonc-

tions. Il est

´egalement possible d'obtenir une visualisa-

tion de la valeur des signaux trait

´es. Appliqu´e`a l'´etude

d'un syst `eme de communications num´eriques, l'outil per- met ainsi de valider et de mesurer les performances du syst`eme mod´elis´e.

4.2 Application au cas du syst

`eme MC-CDMA

1)Simulation fonctionnelle avec un format de donn´ees

non contraint Durant la phase de conception fonctionnelle, le syst `eme

MC-CDMA

´etudi´e est mod´elis´e par sa vue organisation- nelle et par la d

´efinition du comportement de chaque

fonction. L'algorithme de chaque op

´eration identifi´ee est

lui saisi dans le langage C ou SystemC. Ceci permet donc une premi `ere v´erification fonctionnelle du syst`eme, et ce sans aucune consid

´eration architecturale. La fi-

gure 2 donne un exemple du mod `ele de repr´esentation du syst `eme MC-CDMA´etudi´e. FIG. 2 - Repr´esentation du mod`ele fonctionnel du syst `eme MC-CDMA´etudi´e.

Cette repr

´esentation fait apparaˆıtre diff´erents´el´ements.

Les ports de communication d

´efinissent les´echanges

entre les fonctions. Le comportement de chaque fonc- tion comprend le d

´eroulement temporel de son activit´e.

Ce comportement inclue les conditions d'activation, les op´erations effectu´ees,´eventuellement en parall`ele.

Une fois le mod

`ele saisi, le comportement global du systquotesdbs_dbs32.pdfusesText_38

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