Projet de recherche doctoral numero :4378

Date depot: 1 janvier 1900
Titre: Utilisation du Massive MIMO dans les reseaux 5G pour l annulation d interference intercellule et pour l augmentation de la capacite
Directeur de thèse: Dirk SLOCK (Eurecom)
Domaine scientifique: Sciences et technologies de l'information et de la communication
Thématique CNRS : Non defini

Resumé: L’évolution des communications sans fil doit répondre à la demande toujours croissante de fourniture de services de télécommunication variés à des débits toujours supérieurs aux offres existantes. C’est un des sujets phares étudiés dans la théorie d'information pendant cette dernière décennie. Un challenge a été lancé par Qualcomm pour augmenter les débits maximales des communications sans fil par un facteur 1000 pour l’horizon 2020. Il est déjà clair que pour atteindre cet objectif, la combinaison d’ingrédients diverses sera nécéssaire. Un des ingrédients incontournables est conceptuellement assez simple et concerne l’augmentation du spectre utilisé. Ceci emmène à la considération d’utiliser les fréquences plus hautes (mmWave) comme par exemple 60GHz dans WiGig (WiFi). La propagation à ces fréquences ne porte pas loin ce qui limite leur utilisation au WiFi ou aux Small Cells, ou au backhaul sans fil avec des antennes très directives. Par contre, l’autre caractéristique majeure des communications sans fil est l’interférence dû à la réutilisation des fréquences. Dans les systèmes 2G, cette interférence était subi comme du bruit et était limité par une réutilisation modérée des fréquences. L’étalement de spectre dans les systèmes 3G mène à tellement d’interférence intracellule que la réutilisation des fréquences entre cellule était devenu moins problèmatique. L’utilisation d’une modulation orthogonale à nouveau (OFDM) dans les systèmes 4G a mené à une gestion des interférences par coordination dynamique des blocs de ressources. L’utilisation d’antennes multiples à fait son entrée avec le MIMO dans 3G, et le MIMO multi-utilisateur (MU) (mono-cellule) ou le CoMP (Coordinated MultiPoint transmission) pour le multi-cellule dans la 4G. Ces techniques, tels que standardisés, ne permettent que des gains modestes en débit pour des raisons discutées plus loin. Cependant, une nouvelle technique de gestion des interférences à vu le jour il y a 5 ans : l’alignment des interférences (IA, Interference Alignment). La promesse de l’IA est qu’avec cette gestion des interférences la capacité (par lien) de l’ensemble d’un réseau sans fils pourrait être la moitié de la capacité en absence d’interférences (comme si tous les liens étaient filaires et ne transmettaient que la moitié du temps). Le hic est que cela suppose que chaque transmetteur connaisse les canaux, non seulement vers tous les récepteurs, mais aussi ceux à partir de tous les autres transmetteurs vers tous les récepteurs. Finalement, une autre technique encore plus récente est le Massive MIMO, l’utilisation des antennes multiples, mais à échelle massive. L’idée est d’abord introduit dans un contexte mono-cellule, pour le MU MIMO. L’idée est motivé par des simplifications qui apparaissent dans un régime asymptotique d’une station de base avec un nombre d’antennes énorme. Le MIMO permet la transmission simultanée de flux multiples (le multiplexage spatial) ce qui permet d’augmenter les débits de manière évidente. Alors que le MIMO nécéssite des antennes multiples aussi bien du côté transmetteur (Tx) que du côté récepteur (Rx), et nécessite un environnement de propagation très riche (comme en indoor), le MU MIMO permet le même multiplexage spatial avec des utilisateurs mon-antenne et un environnement de propagation quelconque. Par contre, dans le MU MIMO toute la gestion des interférences entre flux doit être effectuée par le Tx (la station de base) ce qui nécéssite une bonne connaissance du canal au Tx (CSIT) et aussi la technique optimale de transmission est compliquée (Dirty Paper Coding). Quand le nombre d’antennes du Tx augmente beaucoup, un transmetteur linéaire (beamforming) suffit et même un simple filtre adapté (qui ne nécessite pas de calculs) devient optimal asymptotiquement. Bien qu’un nombre super élevé (par exemple 100) d’antennes de transmission peut sembler effrayant, on argumente qu’un autre effet du régime asymptotique est que les circuits RF des antennes n’ont pas besoin d’être très précis et que, en dépit des premières impressions, tout cela permet de diminuer la consommation globale de la station de base. Le Massive MIMO est souvent présenté comme une solution TDD, où grâce à la réciprocité du canal le feedback de CSIT peut être évité, les études les plus récentes envisagent même l’abandon d’un CSIT instantané et montrent qu’on peut aller loin avec du CSIT long terme (et ceci toujours grâce au régime asymptotique et est favorable pour la solution FDD)). Contexte scientifique et industriel Dans un panel à la conférence IEEE Globecom 2012, dans le «Workshop on Cloud Base Station and Large-Scale Cooperative Communications », Angel Lozano de UPF était le seul représentant académique dans un panel d’industriels du domaine des communications sans fil. Et les industriels se plaignaient que les académiques avaient poussé MU MIMO et CoMP dans LTE-A, mais que ces techniques apporteraient des gains très limités. Effectivement, ces tec

Doctorant.e: Tabikh Wassim