Equipe SCEE : Signal, Communication et Electronique Embarquée

Optimisation multicritères de contours actifs par algorithmes génétiques.
Application à la segmentation de la bouche.

Résumé :
L'objectif des travaux que nous allons présenter est la segmentation d'objets faiblement convexes en environnement bruité. Nous avons proposé pour cela deux algorithmes implémentant l'optimisation multicritères selon Pareto de contours actifs génétiques. La première méthode, les Multiobjective Genetic Snakes (MGS), utilise l'algorithme génétique multiobjectifs NSGA2 pour déformer des double snakes. La seconde (MGHS) associe un micro AG à une méthode de recherche locale basée sur des contours actifs, l'Opérateur de Contours Actifs Variationnels (OCAV). Un ensemble assurant la convergence des contours actifs génétiques multicritères a été défini. Nous avons appliqué nos algorithmes à l'extraction des contours. Une implémentation vidéo de nos travaux dans le cadre d'un processus de lecture labiale a également été réalisée.

Recherche de nouvelles ressources spectrales Radio Cognitive et détection de bandes libres

Résumé :
La multiplicité des nouvelles normes radio et les progrès de la technologie permettent d'envisager aujourd'hui une amélioration de l'usage du spectre. En 1999, Joe Mitola a introduit le concept de radio intelligente ou Radio Cognitive l'idée principale est d'avoir une radio qui peut connaître et percevoir son environnement; apprendre de son environnement et agir pour simplifier la vie de l'utilisateur. Dans le paysage radio complexe actuel, la passivité classique du terminal attaché à un seul réseau n'a plus cours, d'autant plus que sa puissance de calcul continue d'augmenter avec l'évolution des technologies.

Un terminal à radio cognitive peut acquérir des informations pertinentes de son environnement et les utiliser pour prendre des décisions. Par exemple, les terminaux et les points d'accès seront capables de choisir automatiquement la meilleure technologie radio en fonction de la congestion du réseau, de la qualité de service attendue mais surtout en fonction de l'environnement spectral. Ainsi, le futur terminal radio cognitive permettra d'optimiser l'usage du spectre et sera notamment capable de détecter les bandes libres dans le spectre, de modifier sa puissance d'émission, les caractéristiques de sa modulation et posséder aussi la capacité d'utiliser/négocier le spectre suivant une politique prédéfinie (bande interdite, bande licenciée, bande libre, ...).

Ce nouveau domaine se trouve être à la croisée de nombreuses disciplines :
les architectures matérielles et logicielles, le traitement du signal, la modélisation et simulation des systèmes complexes, l'intelligence artificielle

Market-driven dynamic spectrum allocation

Résumé :
Dynamic spectrum allocation (DSA) seeks to exploit the variations in the loads of various radio-access networks to allocate the spectrum efficiently. Here, a spectrum manager implements DSA by periodically auctioning short-term spectrum licenses. We solve analytically the problem of the operator of a CDMA cell populated by delay-tolerant terminals operating at various data rates, on the downlink, and representing users with dissimilar "willingness to pay" (WtP). The operator finds profit-maximising prices and a "revenue per Hertz" service priority policy, along with a bid for spectrum.

We adopt a very general channel model, which makes our analysis relevant to a wide variety of practical configurations, and allows us to perform link layer adjustments for revenue maximisation.

A relevant poster can be viewed at : http//www.rennes.supelec.fr/ren/perso/vrodrigu/slides/DSAposterApr05.pdf

Presenter :
Virgilio Rodriguez {email vr AT ieee.org } is a postdoctoral researcher with the Signal Communication Embedded Electronics group of the Rennes campus of Supélec, where he works on software radios. Previously, he was a postdoctoral research fellow with the Centre for Communication Systems Research (CCSR) of the University of Surrey (England), where he worked on dynamic spectrum management, as part of the E2R project. Recent works of his have appeared at such IEEE conferences as PIMRC, VTC, WCNC, ICASSP, ICC and Globecom.

Dr. Rodriguez received his PhD degree from the Polytechnic University, in Brooklyn, New York, where he worked under the supervision of Prof. David J. Goodman on resource management for wireless communications. Dr. Rodriguez has earned masterÿs degrees from both Purdue University and the Virginia Polytechnic Institute, for work respectively in electrical and systems engineering.

Techniques de conception et application sur FPGA partiellement reconfigurable

Résumé :
L'utilisation de FPGAs dans les systèmes embarqués permet de répondre, par reconfiguration, à une diversité des traitements à réaliser des futures systèmes de radiocommunication (radio logicielle). La densité d'intégration atteinte par les FPGAs, permettent d'envisager l'implantation de multiples fonctions de traitements. Afin d'optimiser le temps de reconfiguration des FPGAs actuel, la reconfiguration partielle est alors nécessaire. Nous présenterons les diverses architectures d'applications partiellement reconfigurable envisageables sur les FPGAs de la famille Virtex de Xilinx ainsi que les flots de conception associées (ex: Xilinx Modular Design Flow). De nombreux points, tels que la flexibilité de configuration par rapport aux contraintes de conception, seront discutés au travers notamment la présentation d'une application sur un FPGA Virtex-II. Cette application est le P-HAL développée par l'UPC de Barcelone, Espagne. Le P-HAL (Physically – Hardware Abstraction Layer ) est une couche d'abstraction matérielle mise en œuvre sur des architectures systèmes hétérogènes (GPPs, multi-DSPs, multi-FPGAs) pour des applications dans un contexte radio logicielle.

Propagation de croyance et codes LDPC définis sur des groupes

Résumé :
Nous introduirons une large classe de codes LDPC, qui est suffisamment grande pour prendre en compte les codes définis sur des corps finis, sur des anneaux et même plus généralement sur des groupes. Cela permet entre autre de pouvoir considérer des codes linéaires mais aussi non-linéaires. Un décodage par propagation de croyance sera présenté. Sa complexité reste quasiment identique à celui des codes LDPC définis sur un corps finis.

Méthodologie de conception haut niveau pour architectures reconfigurables dynamiquement

Résumé :
Nous présenterons une méthodologie de conception pour architectures reconfigurables dynamiquement. Cette méthodologie permet la spécification et la modélisation à un haut niveau de l'architecture reconfigurable dynamiquement jusqu'à la génération RTL du design pour implantation matérielle. Cette méthodologie est basée sur l'utilisation du logiciel SynDEx qui permet une spécification haut niveau de l'algorithme de l'application, ainsi que de l'architecture hétérogène composées de DSP et FPGA. Une Adéquation Algorithme Architecture (AAA) est alors possible. Notre travail se focalise sur l'introduction des architectures matérielles reconfigurables dynamiquement, et notamment les dernières générations de FPGA partiellement reconfigurables, dans ce flot de conception haut niveau. Nous discuterons de la prise en compte de la reconfiguration dynamique, de la génération automatique de l'architecture matérielle, de la gestion des phases de reconfigurations dynamiques ainsi que de l'optimisation celles-ci et de l'architecture générée.

A geometrical approach detector for solving the combinatorial optimization problem : Application in wireless communication systems

Résumé :
Cette thèse s’intéresse à la résolution du problème classique de décodage d’un mélange linéaire entaché d’un bruit additif gaussien. A partir d’une observation bruitée : y = Hx+b, d’un signal x 2 {±1}ⁿ mélangé linéairement par une matrice H connue, b étant un vecteur de bruit, on cherche le vecteur x minimisant la distance Euclidienne entre y et le vecteur Hx. Ce problème est réputé NP-complet. Il intervient dans un grand nombre de systèmes de télécommunications (CDMA, MIMO, MC-CDMA, etc.). Nous proposons dans cette thèse un algorithme de résolution quasi optimal de ce problème et bien adapté à une implémentation matérielle. Notre démarche s’appuie sur l’utilisation des méthodes classiques de recherche opérationnelle :
trouver des points initiaux répartis sur l’espace des solutions possibles et potentiellement proches de la solution optimale (diversification) et effectuer une recherche locale au voisinage des ces points (intensification). Dans ce travail, la diversification est basée sur une approche géométrique utilisant les axes dominants de concentration du bruit (vecteurs singuliers associés aux valeurs singulières minimales de la matrice H). Les performances en terme de taux d’erreur par bit de la méthode proposée sont proches de l’optimum tout en gardant une complexité constante et un degré de parallélisme important (même pour des matrices H de taille très importantes, de l’ordre de 100). Nous avons étendu cette méthode à la constellation MAQ-16 d’une part, et à la génération d’une décision souple d’autre part.

Nous avons étudié l’algorithme proposé du point de vue implémentation matérielle. La sensibilité à l’utilisation de la précision finie et des normes sous optimales est décrite. Une étude de complexité de l’algorithme est présentée ainsi que les effets d’une mauvaise estimation de la matrice H. L’algorithme proposé présente d’une part une nouvelle alternative pour le décodage quasi optimal du mélange linéaire bruité et d’autre part un important dégré de parallélisme permettant une implémentation matérielle efficace et rapide.

Traitement fréquentiel des codes cycliques et reconfiguration de l'opérateur FFT

Résumé :
Les codes cycliques représentent la classe la plus importante des codes en blocs linéaires.
La mise en œuvre des circuits de codage et de décodage de ces codes est directement liée à la façon avec laquelle les codes sont traités. Un traitement temporel de ces codes permet leur réalisation à partir de registres à décalage et d’opérateurs logiques combinatoires simples. Un traitement fréquentiel conduit à une réalisation basée sur la transformée de Fourier.

Dans un contexte de Radio Logicielle, nous présenterons l’opérateur FFT (Fast Fourier Transform) comme un opérateur commun et reconfigurable. Cet opérateur FFT, défini pour faire des calculs des transformées de Fourier dans le domaine des nombres complexes, pourra être reconfiguré de sorte qu'il puisse réaliser des transformées de Fourier dans les corps finis tel que les Corps de Galois (CG). Cet opérateur constituera donc l’élément de base des circuits de codage/décodage d’une classe importante des codes cycliques non binaires tel que les codes de Reed-Solomon (RS) définis sur un CG spécifique et traités dans le domaine fréquentiel.

Synthèse architecturale analogique / numérique appliquée aux systèmes sur puce dans un contexte radio logicielle

Résumé :
Les technologies électroniques actuelles offrent la possibilité de réaliser des systèmes sur puce (SoC). Les méthodologies doivent s'adapter à ce nouveau cadre de conception afin de tirer profit des capacités que présentent les SoC. Dans ce contexte, le thème émergeant de radio logicielle a pour rôle de répondre à une diversité de fonctionnalités et de standards de télécommunication sans fil à l'aide d'une interface matérielle unique.

L'objet de cette étude est d'élaborer des méthodologies et des outils contribuant au dimensionnement et à la synthèse systématique d'un module analogique/numérique dédié à des applications radio logicielle. Les aspects modélisation et prototypage d'une tête de réception mixte constituent les principales contributions de ce travail. Un exemple de dimensionnement d'une tête de réception mixte répondant aux standards GSM et UMTS est développé. La simulation globale de ce système ainsi que son implémentation matérielle sont proposées.

Architecture reconfigurable pour les systèmes MIMO à base d'opérateurs CORDIC

Résumé :
Le système MIMO est une technologie attractive pour les systèmes 3G/4G sans fil. Elle permet à la fois d'atteindre une très grande efficacité spectrale et d'augmenter le débit de la transmission. Afin de pouvoir gérer la multiplicité des standards de communication, le système MIMO doit supporter différents types de modulations et de propagation. Ce sont les raisons pour lesquelles une architecture reconfigurable trouve tout son intérêt dans les systèmes MIMO. Parmi les différents algorithmes de détection d'un signal MIMO, l'algorithme « V-BLAST Square Root » réalise un bon compromis entre les performances attendues et la faible complexité de l'algorithme. Cet algorithme est proposé par B.Hassibi ; il évite le calcul répété du pseudo-inverse de la matrice du canal et l'inversion matricielle en utilisant les transformations unitaires. Elle permet de diminuer la charge de calcul de O(M4) à O(M3) sans dégrader le TEB. Nous proposons l'implémentation sur FPGA de l'algorithme « V-BLAST Square Root » basée sur l'utilisation d'un nombre variable d'opérateurs CORDIC (COordinate Rotation Digital Computing). Les principes de l'algorithme de décomposition QR nécessitent une réalisation des transformations unitaires. Les transformations unitaires sont exécutées par l'opérateur CORDIC qui convient bien pour l'implémentions car il s'appuie seulement sur de simples techniques d'additions et de décalages entre vecteurs. Cette architecture de l'algorithme square root est reconfigurable pour s'adapter à différent nombre d'antennes et différent débit. L'architecture proposée peut atteindre un débit de 600Mbit/s dans un circuit FPGA VirtexII de Xilinx pour le système MIMO avec une modulation QPSK.

Optimisations Mémoire dans la méthodologie AAA pour Code Embarqué sur Architectures Parallèles

Résumé :
Dans le domaine de l’électronique embarquée, les applications de communications numériques et de traitement d’images imposent des contraintes de temps très fortes tout en admettant une limitation en ressources et performances des unités de traitement. En particulier, la restriction quant à la mémoire utilisable peut être préjudiciable pour des domaines tels que le codage vidéo. Une solution pour atteindre les objectifs d’implantation temps-réel peut passer par une distribution sur une architecture matérielle parallèle à la fois des traitements et des unités mémoire. Cette problématique constitue le cadre de ces travaux. Plus précisément, il s’agit de développer un processus de prototypage rapide dédié aux architectures parallèles à base de plusieurs processeurs de traitement numérique du signal de dernière génération (FPGA, DSP). L’aspect optimisation du point de vue de la mémoire allouée est abordé ici de manière plus précise. La chaîne de prototypage a été élaborée autour de SynDEx, outil développé à l'INRIA et basé sur la méthodologie AAA. Cette dernière vise à améliorer l’implantation d’un algorithme sur une architecture multi-processeurs en déterminant une distribution et ordonnancement optimaux. SynDEx réalise ainsi la phase d'adéquation proprement dite, et génère un exécutif indépendant de la cible. Nous avons dans un premier temps contribué à l'automatisation du processus sur cible multi-processeurs, à la fois par rajout d'une couche fonctionnelle, et le développement de nouveaux noyaux spécifiques pour des processeurs de traitement numérique du signal . Dans un contexte embarqué, nos préoccupations se sont ensuite penchées sur la minimisation de la mémoire pour le code généré. C'est un problème encore très ouvert pour des architectures multi-composants. La solution trouvée, grâce aux algorithmes de coloriage de graphe, aboutit à une amélioration significative des résultats d'implantation distribuée. Le portage vers des plates-formes multi-composants est aujourd’hui automatique, notamment en intégrant directement dans l’outil SynDEx l’optimisation mémoire. Une autre partie importante de ces travaux a concerné le développement et l’intégration, à travers notre processus de prototypage, d’applications conséquentes dans les domaines du traitement des images (MPEG-4 partie 2, LAR) et celui des télécommunications (MC-CDMA, UMTS). Les résultats obtenus valident à la fois l’ensemble du processus proposé, et démontrent son adaptation à des systèmes globalement orientés traitement de l’information. Le mémoire se conclut en ouvrant sur de nouvelles perspectives, en s’intéressant notamment à des systèmes multi-couches réunissant des couches « transport » de télécommunication numériques et des couches « services » de traitement des images.

Réduction du PAPR d'un signal OFDM par de l'optimisation convexe

Résumé :
La modulation OFDM est utilisée dans de nombreux systèmes de communications numériques (DAB, DVB, HIPERLAN2, 802.11.a, etc.) du fait de sa robustesse aux canaux de propagation multitrajet, du débit élevé de transmission qu'elle offre et aussi de sa mise en œuvre très simple. Cependant, un des principaux inconvénients de l'OFDM est son fort PAPR(Peak to Average Power Ratio). Cet aspect devient néfaste dès lors qu'il s'agit d'amplifier le signal. En effet, les signaux à enveloppe non constante sont très sensibles à la caractéristique non-linéaire de l'amplificateur de puissance. Ainsi, l'amplification de tels signaux pose des difficultés inhérentes : remontée des lobes secondaires, génération d'harmoniques, création d'interférences entre symboles non linéaires, création d'interférences entre porteuses, le tout entraînant des erreurs de transmission. D'où une nécessité de trouver une solution soit en diminuant le PAPR soit en compensant les erreurs introduites.

La solution couramment utilisée consiste à prendre un recul important afin de faire travailler l'amplificateur dans sa zone linéaire ce qui dégrade le rendement de l'amplificateur. Plusieurs solutions alternatives ont alors été proposées pour diminuer le PAPR. On peut citer parmi celles-ci les techniques du « clipping », du « Selecting mapping », des méthodes utilisant le codage. Ces techniques entraînent soit des distorsion (d'où une dégradation du BER), soit elles ne sont pas à compatibilité descendante ce qui ne permet pas leurs intégration dans les systèmes déjà existants.

D'autres types de méthodes qui peuvent être regroupées sous le nom de méthodes « Ajout de signal » ont été proposées récemment. Ces méthodes ne présentent pas les inconvénients des techniques sus-citées. La méthode « Tone Reservation » est l'une de ces techniques. Elle fut proposée par Jose Tellado. Cependant l'approche proposée par Tellado ne permet de résoudre que le cas particulier des signaux bande de base réels. Sa méthode se résume alors à la résolution d'une programmation linéaire. D'autres auteurs tel que chin-Liang Wang utilisent également le concept de « Tone Reservation ». Cette méthode bien qu'à faible complexité utilise un algorithme où certains paramètres sont calculés de façon arbitraire rendant la technique sous optimale.

L'objet de ce séminaire est de présenter les améliorations que nous apportons aux deux dernières méthodes citées. Nous modélisons le problème de minimisation du PAPR sous forme d'un problème d'optimisation convexe plus précisément sous forme d'un Second Order Cone Program (SOCP) sans dégrader le BER. Pour ce faire nous n'utiliserons que les porteuses non utilisées des standards de communications pour générer le signal « correcteur » c'est à dire le signal ajouté pour diminuer le PAPR.

Séparation aveugle de sources dans les systèmes MIMO

Résumé :
La séparation aveugle de sources a pour objectif la récupération des signaux émis par plusieurs antennes, en utilisant seulement les signaux présents sur les capteurs à la réception. Cette technique, paru il y a 20 ans, trouve un large domaine d'application comme par exemple, le traitement de la parole, les applications médicales (EEG), l'analyse sismique et plus récemment les communications numériques.

Dans les systèmes de communications numériques souvent les séquences d'apprentissages sont utilisées pour l'estimation du canal, ce qui réduit énormément le débit utile transmis et ce qui est irréaliste dans certaines applications (systèmes non coopératifs. Les techniques dites aveugles permettent de s'affranchir de ces séquences, d'où l'intérêt.

Dans cette présentation, nous donnerons un aperçu général sur les méthodes existantes dans la littérature ainsi que les travaux en cours dans le cadre de ma thèse au sein de l'équipe SCEE / IETR.