La chronique de la 5G : le MIMO massif

17/07/2017
Auteurs : Patrice Collet
Publication REE REE 2017-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-3:19440
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2017-3/19440You do not have permission to access embedded form.

Résumé

La chronique de la 5G : le MIMO massif

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18 Z REE N°3/2017 L’arrivée de la 5e génération de radiocommunications mobiles, attendue pour 2018-2020, consti- tuera un événement majeur qui aura des répercussions considérables non seule- ment dans le domaine des radiocommunications cellulaires mais aussi dans des domaines connexes de première importance : l’Internet des objets et les véhicules connectés. Cette 5e génération met- tra en œuvre des technologies innovantes qui contribueront à atteindre les objectifs ambitieux qui lui sont fixés : débits accrus (allant jusqu’à 20 Gbit/s en crête), pénétration à l’intérieur des bâtiments (“deep indoor”), temps de latence de l’ordre de la ms, etc. Pour comprendre la 5G, la REE a demandé à Patrice Collet, membre émérite de la SEE, de te- nir une chronique dans chaque numéro à venir de la revue, dans laquelle il s’efforcera d’expli- quer et de faire comprendre les principes et les enjeux attachés à chacune de ces technologies. Dans ce numéro, il nous parle du MIMO massif. Principes généraux La technique MIMO1 consiste à introduire de la diversi- té spatiale de propagation entre un émetteur et un ou plu- sieurs récepteurs en équipant émetteurs et/ou récepteurs de 1 Multiple Input Multiple Output : se reporter à l’article de D. Le Ruyet et B. Ozbec dans la REE d’avril 2005 et aussi à la REE 2015-05. plusieurs antennes qui émettent chacune tout ou partie du même signal utile. Quand plusieurs récepteurs sont servis par un même émetteur, ce qui est le cas dans les réseaux cellu- laires, on parle alors de MIMO multiutilisateur ou MU-MIMO. Dans les systèmes de radiocommunications cellulaires, le MIMO massif est une extension du MU-MIMO dans lequel une station de base (BS) desservant une cellule où circulent K utilisateurs mobiles est équipée d’un réseau composé de M antennes : M est supérieur à K et de l’ordre d’une ou plu- sieurs centaines. Les K terminaux utilisent alors un même bloc de ressources temps-fréquence (figure 1). Ils peuvent n’être équipés que d’une seule antenne ou de plusieurs. Un pré-codage prenant en compte le résultat de l’évaluation de l’état instantané des canaux radio (CSI)2 est effectué à la BS. Il permet de focaliser l’énergie émise dans un espace limité proche de chaque terminal et ainsi d’amé- liorer significativement les performances du lien descendant de la BS vers les terminaux et de réduire l’énergie rayonnée : plus M est grand, meilleure est la focalisation. A la réception, une combinaison linéaire des signaux reçus par la BS permet de discriminer les signaux émis par chacun des K terminaux. Les performances en matière d’efficacité spectrale, de to- lérance au bruit ou aux interférences dépendent des algo- rithmes utilisés tant à la réception qu’à l’émission. A la récep- tion, les terminaux doivent connaître le gain du canal : il peut être obtenu par des informations explicites transmises par la BS ou bien estimé à l’aveugle à partir des données reçues. Le MIMO massif, grâce au grand nombre d’antennes dé- ployées à la BS, s’approche d’un environnement radio qu’on appelle la « propagation favorable » dans laquelle les ré- ponses des canaux radio vers les différents terminaux sont 2 CSI : Channel State Information. Figure 1 : Principe du MIMO massif. Les terminaux sont en vue directe de la BS – Source : arXiv : 1503.06854v2. ACTUALITÉS La chronique de la 5G Le MIMO massif REE N°3/2017 Z 19 suffisamment différentes les unes des autres : les mesures conduites sur le terrain ont montré que, sans avoir à déployer un nombre d’antennes qui deviendrait non compatible avec les contraintes physiques, on pouvait s’approcher du compor- tement asymptotique prévu par la théorie. La géométrie du réseau d’antennes influe aussi sur cet environnement. Le MIMO massif s’appuie en principe sur un mode de duplexage par répartition dans le temps (TDD)3 dans lequel les canaux montant et descendant se partagent dans le temps la même ressource en fréquences. Les canaux physiques de propagation montant et descendant ont alors les mêmes ca- ractéristiques, on les dit réciproques : il suffit d’évaluer le sens montant pour permettre à la BS d’élaborer les paramètres à appliquer pour le pré-codage du signal descendant et à la combinaison des signaux reçus pour extraire le signal émis par chaque terminal. Pour ce faire les terminaux émettent périodiquement une séquence de pilotes : ces K séquences sont en principe orthogonales. Si l’on veut appliquer les principes du MIMO massif au mode de duplexage par répartition en fréquences, FDD, où les sens montant et descendant utilisent des bandes de fré- quences distinctes, il faut effectuer l’évaluation des canaux radio à la fois dans le sens montant et dans le sens descen- dant : les résultats des mesures effectuées par les terminaux doivent être retournés à la BS. Les travaux effectués sur ce sujet ont montré que le domaine d’efficacité du MIMO massif se trouvait notablement réduit et que son intérêt se trouvait limité à des scénarios particuliers, de faible mobilité et de basse fréquence. Mais la limitation du MIMO massif au mode de duplexage TDD peut constituer une limite à son usage dans la mesure où l’ingénierie de beaucoup de réseaux est fondée sur le FDD. Pour le moment les travaux menés sur ce thème ont 3 Time Division Duplexing montré que moyennant certaines hypothèses la contrainte propre au FDD pourrait être levée, mais on ne sait pas si ces hypothèses sont réalistes. On en retiendra que l’utilisation de MIMO massif reste pour l’heure liée au mode TDD. Les réseaux d’antennes La constitution de réseaux d’antennes de grande capacité peut se heurter à des limites de taille : en effet les antennes doivent être espacées au minimum d’une demi-longueur d’onde. Les efforts d’évaluation des performances et de pro- totypage du MIMO massif menés pour la 5G ont été concen- trés jusqu’à présent sur les fréquences inférieures à 6 GHz. Avec de telles fréquences, la réalisation d’un réseau d’une centaine d’antennes est possible au plan mécanique. Par exemple, à la fréquence de 2 GHz on pourrait placer 400 antennes dans un panneau carré de 1,5 m de côté4 . Des prototypes comportant 160 antennes ont été réalisés par l’université de Lund : ils mesurent 60x120 cm. Pour les fréquences supérieures à 6 GHz, la mise en œuvre du MIMO massif a été moins étudiée et doit, en particulier, faire appel à des systèmes matériels d’émission réception différents. Une efficacité spectrale très supérieure à celle de la 4G Dans le MIMO massif, les ondes émises par le réseau d’an- tennes préalablement mises en forme grâce au pré-codage se combinent positivement dans les zones où sont supposés se trouver les terminaux et s’annulent dans les autres zones5 . C’est la focalisation vers les zones où se trouvent les terminaux qui 4 Massive MIMO : Ten Myths and One critical question E. Bjornson. E.G. Larsson and T.L. Marzetta : disponible sur https://arxiv.org/ abs/1503.06854 5 Voir “Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems” E.G. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson, T.L. Marzetta : disponible sur https:// arxiv.org/abs/1304.6690 Figure 2 : Réseau circulaire de 128 antennes - Source : université de Lund. ACTUALITÉS 20 Z REE N°3/2017 donne au MIMO massif à la fois de très bonnes performances en matière d’efficacité spectrale et d’efficacité énergétique. Les travaux théoriques ont montré que l’on pouvait at- tendre du MIMO massif une efficacité spectrale par cellule 20 fois plus grande que celle de l’IMT Advanced6 . Un pro- totypage effectué par les universités de Bristol et de Lund a permis d’effectuer une mesure de l’efficacité spectrale (fi- gure 2). L’environnement de test comportait un réseau de 128 antennes et des utilisateurs prototypes : la bande de fréquences utilisée est celle des 3,5 GHz et l’ensemble des clients se partagent une bande de 20 MHz. Avec 12 utilisa- teurs, une efficacité spectrale par cellule de 79 bit/s/Hz a été mesurée ; avec 22 utilisateurs elle est montée à 145 bit/s/ Hz., c’est-à-dire environ 20 fois celle de la 4G. Les mesures confirment donc les chiffres que la théorie prévoyait. Reste évidemment à confirmer ces résultats dans des conditions quasi-opérationnelles. Une efficacité énergétique également améliorée L’efficacité énergétique du MIMO massif annoncée comme bien meilleure que celle des techniques des sys- tèmes de générations antérieures se confirme. Mais de nombreux paramètres peuvent influer sur celle-ci : nombre d’antennes, nombre de mobiles, algorithmes utilisés, niveau de contamination des pilotes7 … Des travaux théoriques et de simulation8 ont montré qu’elle pouvait atteindre plusieurs 6 IMT advanced : norme UIT qui sous-tend les systèmes 4G. 7 Voir ci-dessous. 8 Optimal Design of Energy-Efficient Multi-User MIMO Systems: Is Mas- sive MIMO the Answer? E. Bjornson, L. Sanguinetti, J. Hoydis, M. Deb- bah disponible sur : https://arxiv.org/abs/1403.6150v2 dizaines de Mbit/Joule, en mono-cellule, et ont précisé com- ment celle-ci pouvait varier en fonction des principaux para- mètres. Il semble que l’efficacité optimale soit atteinte pour des nombres d’antennes M de l’ordre de 100 à 150 et des nombres d’utilisateurs par cellule K de 80 à 100. Le fonction- nement multi-cellule et la contamination de pilotes qui en résulte, limiteraient l’efficacité énergétique à un peu plus de 7 Mbit/J. Ces travaux ont également montré que la puissance rayonnée par une BS croissait avec M mais que celle rayon- née par chaque antenne de la BS diminuait quand M croît. La réduction des évanouissements (fading) qu’apporte le MIMO massif doit permettre de réduire la latence. En effet le fading est une cause de l’augmentation de la latence, le récepteur devant attendre la fin de l’évanouissement avant de pouvoir recevoir les données. Les limitations du MIMO massif En théorie, à chaque lien montant depuis un terminal est affectée une séquence de pilote orthogonale : or le nombre de ces séquences est limité. Pour desservir l’ensemble des terminaux d’un ensemble de cellules, il faut utiliser plusieurs fois la même séquence : on introduit ainsi le risque de conta- mination de pilote (figure 3). Une BS donnée peut voir l’es- timation du CSI d’un terminal de sa cellule perturbée par un terminal d’une autre cellule utilisant la même séquence de pilote. Dans le sens descendant, ce phénomène a pour conséquence de provoquer des interférences vers les termi- naux utilisant une même séquence de pilotes. On observe le même résultat sur le canal montant. Plusieurs approches sont envisagées pour traiter ce pro- blème. On peut envisager de réduire le taux de réutilisation Figure 3 : Principe de la contamination de pilote - Source : arXiv : 1507.08150. ACTUALITÉS REE N°3/2017 Z 21 des séquences de pilote d’une cellule à l’autre : par exemple utiliser les mêmes séquences de pilote dans une cellule sur trois ou dans une cellule sur six. On peut aussi envisager une allocation optimisée des séquences de pilote. Une autre ap- proche consiste à recourir à des algorithmes avancés d’estima- tion de canal ou à des méthodes à l’aveugle qui atténuent le problème de la réutilisation des séquences de pilote. Une der- nière approche est l’utilisation de techniques de pré-codage. Le grand nombre de chaines d’émission réception radio né- cessaires à la mise en œuvre du MIMO massif a fait craindre que le coût des stations de base soit excessif. Mais les tra- vaux sur la puissance émise par chaque antenne, de l’ordre de 100 mW, ont montré que les chaines d’émission pouvaient se contenter d’amplificateurs d’une puissance analogue à celle des amplificateurs qui équipent les terminaux. Q PC Figure 1 : Kinshasa. (a) le long de l’avenue du 17 mai, une des grandes artères de Kinshasa - Source: Wikipedia. (b) l’Unikin, principale université de Kinshasa - Source : Le Monde Afrique. ACTUALITÉS Quelle est la première ville francophone au monde ? Une actualité est passée relativement inaperçue qui pour- tant intéresse la France et l’ensemble de la francophonie: la métropole parisienne n’est plus la première ville francophone du monde si l’on en croit le rapport de l’ONU intitulé : « Les villes du monde en 2016 ». A ce stade de l’information, nous pouvons essayer de jouer aux devinettes et proposer des villes candidates qui viennent spontanément à l’esprit pour tenir le nouveau rôle de ville leader en nombre d’habitants: Montréal ? Non, ce n’est que la quatrième. Dakar ? Nous sommes dans la bonne direction mais Dakar ne se classe que 5e . Arrêtons le suspense : il s’agit en fait de Kinshasa, capitale de la République démocratique du Congo (RDC) dont l’agglomération comptait, en 2016, 12,1 millions d’habi- tants (figure 1) contre 10,9 millions d’habitants estimés dans l’agglomération parisienne. Toutes deux font donc partie dé- sormais de ce qu’il est convenu d’appeler les « mégapoles » (> 10 millions d’habitants). Cette percée de Kinshasa n’a à vrai dire rien de surprenant lorsque l’on sait que la RDC – appelée aussi Congo Kinshasa pour la distinguer de son voisin le Congo (Brazzaville) – est le plus grand pays d’Afrique sub-saharienne en superficie (le 2e en Afrique, juste derrière l’Algérie) et surtout le premier pays francophone du monde avec ses 78 millions d’habitants et une croissance annuelle de plus de 4 %. Cette expansion des villes africaines n’est d’ailleurs pas le seul fait de Kinshasa puisque dans le classement des six premières villes franco- phones du monde1 , on trouve également Abidjan (3e ), Dakar (5e ) et Casablanca (6e ). Notons aussi que si l’on ajoute à la population de Kinshasa celle de Brazzaville dont elle n’est sé- parée que par un pont sur le fleuve Congo, c’est en fait plus de 1 Le concept de ville ou pays francophone doit être précisé: il est défini ici comme un emplacement où l’on peut vivre et mener ses activités avec la seule connaissance de la langue française, ce qui n’exclut évi- demment pas le multilinguisme que l’on rencontre couramment, dans les pays africains notamment. 1 Cette « Actualité » doit beaucoup à l’excellent article d’Ilyes Zouari, grand spécialiste des affaires africaines, paru dans « Les Echos » du 15 mai 2017, dont sont extraites la plupart des informations du présent article. (a) (b)