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Système MIMO en ondes millimétriques
Introduction
La transmission en onde millimétrique nécessite l’utilisation d’antenne directionnelle qui est cependant très gourmand en énergie pour les fréquences élevées. Pour permettre le déploiement de tel type de transmission, les chercheurs se sont tournés vers une structure alternative se basant sur la technologie MIMO, déjà largement utilisée dans les systèmes WLAN et les systèmes cellulaires dans les fréquences en dessous de 6GHz. Dans cette structure, la technologie MIMO est déployée grâce à un système de réseau d’antennes pour profiter au mieux des avantages offerts par les caractéristiques des ondes millimétriques. La technique utilisée étant le beamforming qui permettra de diriger les faisceaux de manière à obtenir le même résultat que celui offert par une antenne directionnelle.
Techniques de beamforming
Le beamforming est une technique utilisée dans les réseaux d’antennes pour modifier la directivité et la sensibilité du diagramme de rayonnement. Elle est réalisée en combinant l’ensemble des signaux émis par le réseau d’antennes d’une manière à former des lobes destructives et des lobes constructives dans une direction déterminée. La direction des rayonnements issus des antennes se fait via la pondération de chaque flux après la combinaison des symboles [12]. Il s’agit d’un cas particulier de précodage dont le principal but est la maximisation du SNR et la réduction des interférences. Dans les techniques de beamforming traditionnelles, il existe deux méthodes de mise en place : beamforming analogique et beamforming numérique.
Beamforming numérique
Le « beamformer » numérique est constitué par un réseau d’antenne où chaque élément est directement relié à un convertisseur numérique/analogique et analogique/numérique. Ces convertisseurs font la relation entre le domaine de précodage numérique et la chaine de traitement de signal analogique qui est reliée directement aux antennes. A la réception du signal, un poids complexe affecté à chaque antenne est appliqué en numérique par l’unité de bande de base. Les algorithmes de beamforming adaptent le diagramme de rayonnement en optimisant ce poids[13]. La figure 2.01 représente un système MIMO permettant de mettre en place le beamfoming numérique avec une chaine de traitement analogique pour chaque antenne[13].
Notons cependant qu’à la hausse des fréquences porteuses et de la largeur de la bande passante du signal, il y a plusieurs contraintes au niveau du hardware qui rendent difficile le fait d’avoir des chaines de traitements analogiques séparées pour chaque antenne. Les principales contraintes étant les suivantes :
Premièrement, l’implémentation pratique des amplificateurs de puissance (PA) ou des amplificateurs à faible bruit (LNA) ainsi que des chaines de traitements analogiques associés à chaque antenne sont difficile dans les ondes millimétriques [13]. En effet, ces dispositifs doivent être mis en place avant chaque antenne. En considérant que l’une des particularités de la mise en place des systèmes MIMO à ondes millimétrique est l’utilisation des dizaines voire même des centaines d’antennes pour une station de base ou un dispositif mobile, on constate qu’il est impossible de mettre en place un système de traitement analogique dédié pour chaque antenne. Deuxièmement, la puissance consommée : (i) les PA , ADC et les cartes d’interfaces de données connectant les équipements numériques aux DAC/ADC sont des dispositifs gourmands en courant plus particulièrement dans les ondes millimétriques; (ii)Une étape de conversion numérique par antenne aboutirait donc à une large demande de traitement de signal numérique dans la mesure où plusieurs giga d’échantillons par seconde de flux de données doivent être traiter, avec une consommation d’énergie excessive [13].
La puissance exacte consommée dépend de la spécification et de la technologie utilisée pour implémenter un dispositif donné. Le tableau 2.01 décrit la rangée de puissance consommée pour différents dispositifs inclus dans les front-end des systèmes millimétriques.
Et enfin, les limites par rapport à la fréquence d’échantillonnage des convertisseurs numérique/analogique et analogique/numérique. En effet selon le théorème de Shannon-Nyquist, si une fonction ( ) ne contient pas de fréquence plus élevée que B hertz,alors elle peut être déterminée par des séries de points ordonnés espacés de 1/(2 )[14]. Des vitesses de conversion qui sont deux fois la fréquence maximale du signal du composant sont cependant devenues de plus en plus difficiles à obtenir à la hausse de la fréquence porteuse.
A cause de ces différentes contraintes d’implémentation, cette technique de beamforming numérique n’est pas réalisable dans le système MIMO en onde millimétrique.
Beamforming analogique
Le beamforming analogique est l’une des approches la plus simple pour appliquer la technologie MIMO dans les systèmes millimétriques. Elle peut être appliquée au niveau de l’émetteur et du récepteur. Cette solution est de faite celle apportée dans l’IEEE 802.11ad[13]. Le beamformer analogique utilise des déphaseurs analogiques à commande numérique pour générer le déphasage entre les éléments d’antennes afin d’adapter le diagramme de rayonnement. Les signaux déphasés sont combinés en une seule sortie analogique puis convertis par un seul convertisseur analogique numérique. Dans cette configuration, plusieurs antennes sont connectées aux déphaseurs par une seule chaine de traitement analogique RF, comme illustrée dans la figure 2.02.D’autres configurations sont possibles où la combinaison apparait dans des fréquences intermédiaire. Le poids du déphaseur est ajusté par un traitement de signal numérique utilisant une stratégie spécifique pour diriger le faisceau et répondre à un objectif donné, par exemple en maximisant la puissance du signal reçu.
Néanmoins la performance atteint par le beamforming analogique basée sur un réseau déphasé est limitée à cause de l’utilisation de la quantification dans le déphasage et le manque d’ajustement de l’amplitude. Les déphaseurs RF peuvent être actifs ou passifs. Pratiquement les déphaseurs actifs introduisent aussi une dégradation des performances dûe aux erreurs de déphasage : le bruit et la non-linéarité. Bien que les déphaseurs passifs ont une consommation plus faible et n’introduisent pas des distorsions non linéaires, ils occupent une plus grande surface et produisent de plus grandes pertes d’insertion. La puissance consommée par les déphaseurs dépend aussi de la résolution des phases quantifiées[13].
Il y a plusieurs implications dans l’utilisation du beamforming analogique pour les systèmes MIMO en onde millimétrique. Le beamforming analogique avec un seul beamformer ne supporte qu’un seul utilisateur et la transmission d’un seul flux[13]. Cela signifie qu’il est impossible de bénéficier des avantages du multiplexage spatial (utilisateurs multiples) associés avec le système MIMO. De plus, diriger les faisceaux n’est pas chose simple, particulièrement quand les liens de communications ne sont pas encore établis. Cela mène à un besoin de mettre en place un algorithme de formation de faisceau et des techniques d’estimation de canal. En général, afin d’atteindre des performances plus élevées, les protocoles dans les réseaux sans fil doivent être élaborés afin de supporter la directivité des faisceaux.
Système de précodage et Multiplexage hybride
Principe
Les contraintes du hardware du beamforming numérique et les faibles performances offertes par le beamforming analogique ont mené vers de nombreuses spécifications d’architecture MIMO pour les systèmes en onde millimétrique [13]. Dans ces architectures, le traitement des signaux est accompli avec un mélange de domaine numérique et analogique. L’une de ces approches issues de la combinaison de système numérique/analogique est le système de précodage hybride.
Cette architecture, décris sur la figure 2.03, divise la procédure d’optimisation MIMO entre le domaine analogique et le domaine numérique. On suppose que le nombre d’émetteur /récepteur est plus grand que le nombre de chaine de traitement analogique ainsi < < et > > . En prenant l’hypothèse que > 1, l’approche hybride permet d’implémenter le multiplexage spatiale, donc la transmission d’un ensemble de symbole répartis sur plusieurs antennes et ainsi desservir plusieurs utilisateurs à la fois. Notons que le beamforming analogique est un cas spécial quand = = = 1.
Types d’architecture
De manière générale les étapes de précodage/multiplexage peuvent être implémentées en utilisant différentes approches analogiques tel que les déphaseurs ou les commutateurs.
Structure hybride à déphasages
Dans le cas d’une architecture implémentée via les déphaseurs deux structures hybrides sont possible. Dans la première, toutes les antennes peuvent être connectées à toutes les chaines RF comme illustrées sur la figure 2.04[13]. Dans la seconde, les réseaux d’antennes sont divisés en sous réseaux, où chaque sous rangée est connectée à son propre système d’émission /réception comme décrit sur la figure 2.05[13]. L’utilisation de sous rangée d’antenne permet de réduire la complexité du hardware au prix d’une flexibilité réduite sur l’ensemble du réseau.
Un système hybride de précodage/multiplexage basé sur les déphaseurs devrait normalement utiliser des contrôleurs de phases numériques avec un petit nombre de phases quantifiées. Une des avantages de l’approche hybride étant le fait que les précodeurs/décodeurs numériques peuvent corriger le manque de précision dans les systèmes analogiques, par exemple dans l’annulation des interférences résiduelles entres les flux multiples.
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Table des matières
INTRODUCTION ET POSITION DU PROBLEME
CHAPITRE 1 TRANSMISSION EN ONDES MILLIMETRIQUES
1.1 Introduction
1.2 Exigences pour les réseaux 5G
1.2.1 Couverture et débit
1.2.2 Latence
1.2.3 Dispositifs connectés
1.2.4 Technologies d’accès radio multiple
1.2.5 Efficacité énergétique et Efficacité en termes de cout
1.3 Les tendances de recherche
1.3.1 Machine Type communication
1.3.2 Evolution des RAT déjà existant
1.3.3 Allocation d’un nouveau spectre de fréquence pour la 5 G
1.3.4 Développement des technologies d’accès radio utilisant les ondes millimétriques
1.3.5 Le HetNet
1.3.6 SON
1.3.7 Virtualisation des RAN
1.3.8 Restructuration des liens de Backhaul
1.4 Système allocation des bandes de fréquences
1.4.1 En Europe
1.4.2 Au Etats Unis
1.4.3 Au Japon
1.5 Standardisation Industriel
1.6 Avantages de la transmission en ondes millimétriques
1.6.1 Plusieurs bandes sont encore libres
1.6.2 Système MIMO et réseaux d’antennes
1.6.3 Haut débit
1.7 Inconvénients de la transmission en ondes millimétriques
1.7.1 Zone de couverture
1.7.2 Perte en espace libre
1.7.3 Les pertes gazeuses atmosphériques
1.7.4 Atténuation due à la pluie
1.7.5 Autres pertes
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 Système MIMO en ondes millimétriques
2.1 Introduction
2.2 Techniques de beamforming
2.2.1 Beamforming numérique
2.2.2 Beamforming analogique
2.2.3 Système de précodage et Multiplexage hybride
2.3 Modèles de canal dans les systèmes en onde millimétrique
2.3.1 Vecteurs de réponse et réseaux d’antennes
2.3.2 Modélisation du canal MIMO à trajet multiple
2.3.3 Modèle de canal à bande étroite
2.3.4 Représentation virtuelle de l’espacement entre faisceaux
2.4 Modèle de système SU-MIMO pour le précodage hybride adéphaseurs
2.4.1 Formulation générale du problème sur l’efficacité spectrale
2.4.2 Formulation du problème de précodagehybride
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 Algorithme de Précodage /Décodage hybride
3.1 Introduction
3.2 Théorie de l’acquisition compressée
3.2.1 Définition de parcimonie de signaux
3.2.2 Dictionnaire
3.2.3 Sparse Coding
3.2.4 Basis pursuit
3.2.5 Orthogonal matching pursuit
3.2.6 Compressed Sensing Recovery
3.3 Modèle de canal du système
3.4 Principe du précodage hybride
3.5 Estimation du canal
3.5.1 Formulation du problème d’estimation du canal millimétrique
3.5.2 Principe de CS adaptative
3.6 Précodeur hybride basé sur une table de codage hiérarchique multi résolution
3.6.1 Structure de la table de codage
3.6.2 Conception de la table de codage des vecteurs de beamforming
3.7 Algorithme d’estimation adaptative du canal millimétrique.
3.7.1 Algorithme d’estimation adaptative de canal pour une transmission mono trajet
3.7.2 Estimation adaptative de canal pour le canal millimétrique multi trajet
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4 Simulation et évaluation de performances
4.1 Introduction
4.2 Présentation du simulateur
4.3 Evaluation des performances dans un système point à point
4.3.1 Scenario d’évaluation
4.3.2 Comparaison des différents systèmes de précodage
4.3.3 Influence du bit de quantification
4.3.4 Influence du nombre de chaines de traitement analogique
4.3.5 Influence des paramètres N, K
4.4 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 : Performances réseau 4G selon le IMT-Advanced
ANNEXE 2 : Normes ?? , ?? ,??
ANNEXE 3 : Norme deFrobenius
ANNEXE 4 : Restricted Isometry Property
ANNEXE 5 : Extrait de code
BIBLIOGRAPHIE
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