Est-il possible d'accroître la capacité d'un réseau mobile avec des réseaux d'antennes? C'est la question à laquelle nous allons répondre dans cette vidéo. Nous avons vu la formation de faisceau, les réseaux d'antennes. On prend un ensemble d'antennes distant de lambda sur d. En contrôlant la phase du signal de chaque antenne, on peut focaliser la puissance dans une direction particulière. L'intérêt c'est qu'on accroît dans cette direction la puissance reçue par rapport à une antenne non-directionnelle. On réduit les puissances rayonnées dans les autres directions, et si on considère les stations de base voisines, cela veut dire qu'on va réduire la puissance vers le terminal que nous considérons. On va réduire l'interférence. Le bruit de fond est inchangé puisqu'on ne change pas le récepteur du terminal. Et en bilan, on a donc augmenté le rapport signal sur interférence plus bruit. Lorsqu'on applique une formule comme la capacité de Shannon, on voit que, plus le rapport signal sur interférence plus bruit est élevé, plus le débit réel qu'on peut avoir est important. Mais peut-on faire encore plus? Si nous considérons deux utilisateurs A et B qui sont dans des zones assez différentes de la cellule, on peut considérer une première transmission de données vers A en focalisant l'énergie dans la direction de A et en l'annulant dans la direction de B. On peut considérer une transmission vers B en annulant dans la direction de A et superposer les deux. On peut montrer qu'avec n antennes à la station de base, par exemple, et une antenne sur chaque UE, on peut transmettre jusqu'à n flux simultanés. C'est ce qu'on appelle le MU-MIMO pour Multi-User Multiple Input Multiple Output. Voyons une petite question de vocabulaire. On considère que le canal de propagation radio est comme une boîte noire avec des entrées et des sorties. Le nombre d'entrées correspond à la partie émission, donc au nombre d'antennes d'émission. La sortie correspond à la partie réception, donc au nombre d'antennes à la réception. M pour Multiple, plusieurs ; S pour Single, un seul. Et on peut imaginer toutes les combinaisons : SISO, Single Input Single Output, le plus simple ; MISO, SIMO ou MIMO lorsqu'on prend plusieurs antennes à l'émission, plusieurs antennes à la réception. Ce que nous venons de voir c'est le cas du Multi User MIMO. Et là , le canal de propagation global correspond à une station de base avec plusieurs antennes et plusieurs terminaux différents, ceci lorsqu'on considère la transmission sur la voie descendante. Attention : le multi-user n'est pas toujours possible. Nous avons ici un cas où ça marche bien car A et B sont dans des directions clairement différentes. Mais ici, si A et B sont dans la même direction, on a forcément le même signal rayonné vers A et vers B. On ne peut pas les séparer lorsqu'on considère une propagation en espace libre. Mais justement, ce n'est pas toujours vrai. Ce que nous avons supposé jusqu'à présent c'est la transmission en vue directe ou line-of-sight. Il n'y a pas d'obstacle entre l'émetteur et le récepteur et alentour. C'est le cas lorsqu'on est complètement dans le vide ou lorsqu'on est dans une zone rurale comme la plaine de Beauce en France, mais c'est rarement vrai. Assez souvent, on va avoir, par exemple en milieux urbains, des immeubles qui vont provoquer des diffractions ou des réflexions sur des parois d'immeubles. On a quelques fois le trajet direct qui est non obstrué : on n'a pas d'obstacle entre l'émetteur et le récepteur. La puissance reçue selon ce trajet est souvent dominante. Donc, on a facilité à déterminer l'angle de visée pour le faisceau. Mais quelques fois, on a une absence de trajet direct, qui est représentée ici. On voit clairement que le signal est reçu côté du récepteur dans des directions très différentes, et il est difficile de savoir dans quelle direction orienter le faisceau. Ceci est un cas de propagation Non Line-of-sight ou NLOS. En fait, la question est assez subtile : est-ce que les multi-trajets sont un ami ou un ennemi? C'est une question complexe. Un ennemi, oui, parce qu'il faut identifier les différents déphasages, et pour identifier les différents déphasages, il faut envoyer des symboles de référence, des symboles dont la valeur est connue. Cela permet de caractériser le canal. Comme le terminal peut se déplacer, on peut avoir une variation rapide de ce canal de propagation du fait de la mobilité. C'est un ami, la propagation multi-trajets, parce qu'on va avoir des conditions de propagation très différentes pour un très faible déplacement, et cela va permettre d'avoir des transmission simultanées possibles entre une paire d'utilisateurs. Voyons cela sur un exemple très simple pour faire sentir l'intuition qui est derrière cet aspect-là . Je considère un émetteur et trois points : A, B, C. Lorsqu'on a uniquement le trajet direct, on voit que le signal en A et en C a la même phase. Pourquoi? Parce que A et C sont sur le même front d'onde. Si maintenant nous intégrons une diffraction ici indiquée en rouge, le signal reçu global est la somme du signal dû au trajet direct et du signal qui subit la diffraction. Si on regarde, entre A et C, l'onde va parcourir lambda sur 2 en plus. Donc, si on suppose que E1 et E2 sont en phase pour A, E1 a la même phase, mais E2, qui subit un trajet supplémentaire de lambda sur 2, va donc arriver en opposition de phase. Et si on a un affaiblissement dû à la diffraction, on va avoir un signal assez important avec une phase en A, et un signal avec une petite atténuation et une phase clairement différente en C. En B, on a également une phase différente. Dans tous les cas, en propagation multi-trajets, on a des phases différentes en A, B, C. Nous ne faisons pas ici une démonstration rigoureuse, mais nous voulons faire sentir que, grâce à ces phases différentes, il va être possible de procéder à un traitement de signal qui permette de transmettre différents flux simultanément. Nous admettons qu'avec n antennes à l'émission, p à la réception, il est possible d'avoir jusqu'à un minimum de n et de p flux simultanés en parallèle. Cela n'est pas toujours possible. Cela dépend étroitement des conditions de propagation et de la façon dont les multi-trajets s'agencent entre eux. On peut dire, par exemple, qu'en espace libre, on va seulement avoir possibilité de transmettre un seul flux. Pour conclure, les MIMO consistent à prendre n antennes du côté émission et p antennes du côté réception, avec n et p supérieurs à 1. Lorsqu'on considère le MU-MIMO, on a un ensemble d'antennes à la station de base, et c'est l'ensemble des UE qui forme l'ensemble des antennes côté récepteur. En Single-user MIMO, on a un ensemble d'antennes, à la fois côté de l'émetteur et côté récepteur, côté station de base et côté UE ; ou réciproquement, côté UE et côté station de base si on considère la voie montante. On a coexistence possible des deux modes. Le nombre maximum de flux en parallèle c'est : min de n et de p. Attention, il s'agit d'un nombre maximum. Il peut y avoir des conditions de propagation où on fait beaucoup moins que ce nombre de flux en parallèle. On peut espérer, avec quatre antennes à la station de base et deux dans chaque terminal, avoir jusqu'à deux flux par UE et deux UE servis simultanément. On a une forte dépendance par rapport au canal de propagation, une nécessité d'estimer périodiquement le canal, et cela n'est possible qu'en transmettant des symboles de référence, des symboles connus très fréquemment. Le Massive MIMO consiste à prendre un grand nombre d'éléments d'antenne, par exemple jusqu'à 256, qu'on va disposer suivant un carré de 8 fois 8, ou suivant un cylindre. C'est surtout faisable au-dessus de 6 gigahertz pour des questions d'encombrement. On va, en prenant un très grand nombre d'antennes, avoir des faisceaux extrêmement étroits, ce qui veut dire qu'on va engendrer dans les autres directions extrêmement peu d'interférences. Les systèmes cellulaires ne vont plus être limités par les interférences, ce qui était, jusqu'à la quatrième génération incluse, la principale limite de capacité d'un système cellulaire. C'est donc un changement majeur de paradigme. En revanche, en Massive MIMO, même si on a 256 éléments d'antenne, on transmet un nombre relativement limité de flux en parallèle, typiquement 8. Les difficultés majeures sont qu'il est nécessaire d'avoir une puissance de calcul extrêmement importante. Il y a donc une consommation d'énergie électrique qui est non négligeable. Et en dernier lieu, il faut faire attention aux impératifs sanitaires. En concentrant le flux, on va augmenter la puissance dans une direction particulière, et il faut veiller à ce que la puissance du champ électromagnétique ne dépasse pas les normes en vigueur pour des questions sanitaires. [MUSIQUE] [MUSIQUE]
