Massive MIMO, une approche angulaire pour les futurs systèmes multi-utilisateurs aux longueurs d’onde millimétriques

La densification des reseaux allant de pair avec le deploiement de petites cellules, les systemes Massive MIMO disposent de caracteristiques prometteuses pour accroitre la capacite des reseaux au travers des techniques de formation de faisceau, appelees beamforming. Les transmissions aux longueurs d’onde millimetriques (mmWave) sont, quant a elle, tres convoitees car, non seulement les bandes passantes exploitables sont extremement larges, mais le canal de propagation est principalement Line-of-Sight (LOS), ce qui correspond a la visibilite directe entre le terminal et la station de base. L’attrait que peut avoir un systeme multi-utilisateurs Massive MIMO a de telles frequences provient, en partie, du faible encombrement du reseau d’antennes, mais aussi du fort gain de beamforming dont il permet de beneficier afin de contrecarrer les fortes pertes en espace libre que subissent les signaux a de telles longueurs d’onde. Dans un premier temps nous montrons comment l’augmentation de la frequence porteuse impacte les performances de deux precodeurs connus. Au travers d’une modelisation deterministe et geometrique du canal, on simule un scenario Outdoor a faible mobilite et a forte densite de population en mettant en avant l’influence du trajet direct et des trajets reflechis sur les performances. Plus precisement on prouve qu’en configuration purement LOS, le precodeur Zero-Forcing est beaucoup plus sensible a la structure du reseau d’antennes, et a la position des utilisateurs, que le Conjugate Beamforming (aussi connu sous le nom de retournement temporel). On introduit alors un precodeur base uniquement sur la position angulaire des utilisateurs dans la cellule en reference a la station de base, puis l’on compare ses performances a celles des deux autres. La robustesse d’une telle implementation a une erreur d’estimation d’angles est illustree pour un scenario specifique afin de souligner la pertinence des solutions angulaires, une direction etant plus facile a estimer et son evolution dans le temps plus previsible.On decrit dans un second temps comment la connaissance des positions angulaires des utilisateurs permet d’accroitre la capacite de la cellule par le biais d’un procede d’allocation de puissance reposant sur une evaluation de l’interference que chaque faisceau genere sur les autres. On prouve a l’aide de simulations que l’obtention de cette interference, meme exprimee sous une forme tres simplifiee, permet d’ameliorer tres nettement la capacite totale de la cellule. Enfin, nous introduisons les systemes Hybrides Numeriques et Analogiques ayant recemment ete proposes afin de permettre a une station de base de conserver un large nombre d’antennes, necessaire a l’obtention d’un fort gain de beamforming, tout en reduisant le nombre de chaines Radiofrequences (RF). On commence par decrire une solution permettant a un terminal de former un faisceau dont la direction s’adapte a sa propre inclinaison, en temps reel, pour toujours viser la station de base. On compare ensuite les performances de tels recepteurs, associes a des stations de base Massive MIMO, avec celles d’une solution hybride connue, le nombre de chaines RF des deux systemes etant identiques. Principalement, la flexibilite et la capacite d’evolution de ces systemes est mise en avant, ces deux atouts etant particulierement pertinents pour de nombreux environnements a forte densite de population.