Soutenance mémoire
Evolution des standards actuels
Les normes de communications mobiles de 4éme génération en service depuis 2011 ont été conçues avec des objectifs bien précis en termes de qualité de service et débits supportés. Pour cela, les principaux objectifs visés par le projet IMT-Advanced (International Mobile Telecommunication – Advanced) étaient de pouvoir atteindre des débits maximums de 100 Mbit/s en mobilité à 360 km/h et de 1 Gbit/s pour les usagers stationnaires, une largeur de bande évolutive jusqu’à 100 MHz et une efficacité spectrale de 15 bit/s/Hz pour le sens descendant et 6.75 bit/s/Hz pour le sens montant [1]. La première version du standard LTE (3GPP Release 8 et 9) sortie en 2008, était incapable d’atteindre l’intégralité des objectifs escomptés. Les versions ultérieures (LTE-A, B et C) éditées dans les Releases 10, 11, 12 et 13 ont vu l’introduction de nouvelles technologies telles que l’agrégation de porteuses, le MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output) et la prise en charge des communications de type machine (MTC, Machine-Type Communication). Cette évolution technologique, malgré les améliorations apportées, s’est confrontée à une explosion spectaculaire du trafic, du nombre d’utilisateurs et des contenus multimédia. Dans le rapport de mobilité trimestriel de novembre 2018 publié par Ericsson [2], le trafic mondial a augmenté de 88% entre le dernier trimestre de 2017 et celui de 2018. Le taux de pénétration mobile est de 104% avec un total de 7.9 milliards d’abonnés dans le monde. La figure 1-1 rapporte l’évolution du trafic mondial data entre les années 2013 et 2018. A cette allure, les standards actuels arriveront à leurs limites très prochainement.
Technologies liées à l’interface radio
L’interface radio est la partie critique de tout système de radiocommunications mobiles. La modélisation du canal évolue de plus en plus pour remédier de ses effets sur les signaux transmis. Les très hauts débits ciblés par la norme ainsi que les nouveaux scénarios envisagés nécessitent la mise à niveau des technologies radio employées dans les réseaux existants. La nouvelle interface radio appelée la Nouvelle Radio (NR, New Radio) intègre toutes les améliorations et paramétrages apportés par le standard 5G [7]. De nouvelles techniques de modulation ont été étudiées pour l’interface radio 5G. L’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) et ses variantes ont obtenu le consensus de la communauté scientifique et industrielle pour leur faible complexité et leur capacité à réduire l’émission hors bande pour une meilleure optimisation du spectre [8]. Un nouveau paramétrage des formes d’ondes (numérologie) est prévu en fonction des cas d’utilisation. Des méthodes d’accès non-orthogonales seront probablement préférées pour le multiplexage spatio-temporel des utilisateurs. La méthode SIC (Successive Interference Cancellation) est l’une des méthodes non-orthogonales sur laquelle, des améliorations sont en cours pour définir les méthodes d’accès supportées par l’interface radio 5G [9]. Le MIMO massif est l’une des technologies prévues pour améliorer l’efficacité spectrale du système [10]. L’idée est d’utiliser un grand nombre d’éléments d’antennes en réseau pour générer des profils de rayonnement très directifs. Cette technique est particulièrement destinée aux hotspots dans les réseaux hétérogènes où l’usage des fréquences millimétriques réduit la taille des éléments et les interférences inter-cellules. Le support de plusieurs modes de transmission, en l’occurrence FDD (Frequency Division Duplex), TDD (Time Division Duplex), et le mode flexible (structure unifiée de la trame supportant les deux modes) contribuera également à l’amélioration de l’efficacité spectrale.
Transmission multi-porteuse sur la liaison montante PM-DD
Le banc de mesure utilisé pour l’évaluation des performances de la liaison avec agrégation de porteuses décrit sur la figure 3-27 est identique au banc précédent. La génération du multiplex est réalisée sous Matlab de manière similaire à la transmission mono-porteuse. Les différents canaux sont multiplexés dans le domaine fréquentiel et transformés dans le domaine temporel par une transformée de Fourier inverse (IFFT). Pour les mesures expérimentales, l’AWG transpose le multiplex autour d’une porteuse RF à bande latérale unique (SSB, SingleSide Band). Pour les simulations, l’AWG est représenté par un bloc d’interpolation suivi d’un convertisseur SSB qui centre le multiplex à la fréquence RF désirée. Du côté du récepteur, après une correction temporelle les canaux sont démultiplexés à l’aide d’un banc de filtres numériques suivi d’un bloc d’égalisation fréquentielle. Finalement, l’EVM est estimé pour chaque canal.
Conclusion et perspectives
La conception d’une architecture fiable du réseau d’accès de la 5G a suscité l’intérêt de la communauté scientifique et industrielle concernée par la définition de la norme. Le segment fronthaul a fait l’objet d’une attention particulière du fait de son rôle crucial dans le transport des données de l’interface radio et les performances qu’il doit posséder pour supporter les très hauts débits et les très faibles latences des services 5G. La répartition de bas niveau « IntraRF » des fonctionnalités du RAN ramène la fonction de génération de la porteuse RF au niveau des entités centrales alors que les unités radio distantes se chargeront du couplage du signal radio aux antennes. Cette répartition permet de résoudre la problématique du trafic colossal qui transitait sur l’interface CPRI pour le transport des données et de la signalisation. La radio sur fibre se présente comme un candidat potentiel pour l’acheminement des signaux radio sur des liaisons optiques pour des longueurs jusqu’à 40 km aussi bien pour des fréquences en dessous de 6 GHz que pour des fréquences millimétriques moyennant une conversion de fréquence en réception ou par le biais d’une détection cohérente héterodyne. En outre, l’usage de la radio sur fibre comme fronthaul permet d’optimiser largement le coût de déploiement par l’utilisation du réseau de distribution optique existant. Pour cet usage, nous avons étudié dans cette thèse une architecture mixte construite avec des composants optoélectroniques commerciaux et qui est basée sur la modulation d’intensité externe avec détection directe pour la liaison descendante, et la modulation de phase avec détection directe (ou interférométrique) pour la liaison montante. Cette étude a été menée par simulation et validée expérimentalement. La simulation système a été effectuée à l’aide des modèles électriques équivalents des composants photoniques qui ont été développés et/ou optimisés à partir des données expérimentales. En particulier, un modèle équivalent de l’amplificateur optique à semiconducteur a été entièrement développé pour être utilisé avec la photodiode dans l’étage de détection. Ceci dans la perspective de modéliser les circuits photoniques intégrés dans lesquels ce type de configuration est très répandu. Les modèles électriques des liaisons RoF ont donné une excellente concordance entre les résultats de simulation et les résultats expérimentaux. Une méthode de simulation spécifique à la liaison de modulation de phase a été développée pour l’analyse des performances analogiques et la transmission de signaux complexes. Ainsi, l’utilisation des outils d’analyse radiofréquence fournis par les logiciels de simulation électrique a été largement profitable. Particulièrement, l’outil de simulation « enveloppe simulator » nous a permis d’étudier d’une manière efficace la liaison à modulation de phase avec un paramétrage spécifique de ces différentes options. La caractérisation analogique des liaisons RoF à modulation de phase a abouti à des performances très encourageantes en termes de gain RF, de bruit et de linéarité. Les gains obtenus permettent d’avoir une grande flexibilité pour le dimensionnement du fronthaul et le choix des fréquences RF optimales. Le compromis à faire entre un gain optimal et un niveau de bruit réduit a été déterminé en fonction des principaux paramètres caractéristiques des composants et de la fréquence RF. Malgré la sensibilité des liaisons à modulation de phase par rapport au bruit de phase ramené par la conversion interférométrique, un choix pertinent du laser peut contribuer à le réduire de manière significative. Une comparaison avec les liaisons RoF à modulation d’intensité a été réalisée pour valider les résultats théoriques des deux liaisons qui montrent une grande similitude entre les performances des deux architectures et la possibilité dans certains cas d’obtenir de meilleurs résultats en modulation de phase. La qualité de transmission des formes d’onde 5G de type CP-OFDM et F-OFDM sur le fronthaul a été évaluée en mesure et simulation pour les configurations à mono-canal et multicanaux pour les deux sens montant et descendant. Les plages dynamiques obtenues par une estimation de l’EVM, en le comparant à des spécifications du 3GPP, varient de 22 dB à 36 dB selon les paramètres de la liaison (fréquence centrale, FSR, puissance optique, etc.) pour une modulation 64-QAM contre 16 dB pour une modulation 256-QAM en mode mono-canal. En agrégation de canaux, les valeurs d’EVM obtenues restent en dessous des limites standard 3GPP avec des disparités entre les canaux à la fois pour la liaison montante et pour la liaison descendante. Ces résultats ont ainsi démontré la capacité de l’architecture RoF proposée à transporter des formes d’ondes 5G à des débits pouvant atteindre 12 Gbit/s sans codage canal. Comme perspectives à ces travaux, les axes suivants, qui n’ont pas pu être abordés ici, constituent des études supplémentaires :
1. Validation du modèle électrique du SOA à partir des mesures de caractéristiques statistiques et dynamiques du composant et d’une extraction des paramètres du modèle par optimisation manuelle ou automatique à l’aide du logiciel de simulation.
2. Modélisation des modules de multiplexage/démultiplexage WDM et en tenir compte dans l’évaluation des performances. Les fluctuations sur les longueurs d’onde démultiplexées, qui pourraient avoir un effet sur les performances, doivent être considérées en simulation.
3. Evaluation des performances de l’architecture avec des circuits PIC (Photonic Integrated Circuit) pour les applications 5G avec des modules intégrés en émission (laser avec modulateur) et en réception (MZI et SOA avec photodiode). Une détection cohérente avec cette technologie devient attractive, technologie qu’il est nécessaire de comparer avec la détection interférométrique étudiée dans ce travail.
4. Estimation de l’énergie économisée par l’architecture proposée dans un cas réel d’infrastructure. Un bilan sur le coût du système pourra alors être fait en comparant le cas de l’utilisation d’un laser performant et le cas de l’utilisation uniquement des liens optiques à modulation d’intensité.
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Table des matières
Introduction
1. Introduction aux réseaux mobiles de 5éme génération
1.1 Introduction
1.2 Vision et objectifs du futur réseau 5G
1.2.1. Evolution des standards actuels
1.2.2. Les objectifs du standard 5G
1.2.3. Classes de communications supportées
1.2.4. Activités de standardisation
1.2.5. Architecture du réseau 5G
1.3 Les technologies émergentes de la 5G
1.3.1. Technologies liées à l’interface radio
1.3.2. Technologies liées à l’architecture du réseau
1.4 Le réseau d’accès 5G
1.4.1. Architecture
1.4.2. Répartition fonctionnelle du NG-RAN
1.4.3. Couche physique de l’interface radio
1.4.4. Le réseau de transport 5G
1.5 Conclusion
2. Radio-sur-Fibre pour le transport de signaux radio
2.1 Introduction
2.2 Concept et applications de la radio-sur-fibre
2.2.1. Concept de la radio-sur-fibre
2.2.2. Applications de la Radio-sur-Fibre
2.3 Composants photoniques d’une liaison RoF
2.3.1. Laser à semi-conducteur
2.3.2. Modulateurs optiques
2.3.3. Photodétecteur
2.3.4. Interféromètre de Mach-Zehnder
2.4 Architectures RoF
2.5 Modélisation des liaisons RoF
2.6 Conclusion
3. Etude des performances des liaisons RoF pour le fronthaul 5G
3.1 Introduction
3.2 Modulation de phase avec détection directe
3.2.1. Gain de la liaison
3.2.2. Point de compression à 1dB
3.2.3. Plage dynamique exploitable
3.2.4. Bruit de la liaison
3.3 Modulation d’intensité avec détection directe
3.4 Architecture proposée pour le fronthaul
3.5 Transmission de formes d’onde 5G sur le fronthaul
3.5.1. Transmission mono-porteuse sur la liaison montante PM-DD
3.5.2. Transmission multi-porteuse sur la liaison montante PM-DD
3.5.3. Transmission mono-porteuse sur la liaison descendante IM-DD
3.5.4. Transmission multi-porteuses sur la liaison descendante IM-DD
Conclusion
Conclusion et perspectives
Liste des publications
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