Communications en millimétrique (Co_mm)

Le déploiement des communications en millimétriques n'en est qu'à son début. L'attribution des bandes 26 et 28 GHz pour la 5G vont accélerer leur développement.
L'IETR a toutes les expertises nécessaires et complémentaires pour y contribuer.

Contexte

L'évolution des différentes générations de téléphonie mobile pour répondre à l'augmentation drastique et inéluctable des débits à délivrer ouvre le champ à de nouvelles études pour les transmissions en millimétriques.

La bande des 26 ou 28 GHz vient d'être allouée à la 5G avec des bandes allouées pouvant aller jusqu'à 1 GHz.

En parallèle les avancées en communications numériques sur les systèmes massif MIMO  laissent  entrevoir des gains considérables en terme de capacité pour permettre une densification nécessaire de réseaux avec le déploiement des small cells.

L'IETR dispose de toutes les expertises nécessaires aux études faisant plus jamais appel à une interdisciplinarité : propagation, hyperfréquences, communications numériques et répondre aux nombreux challenges qui restent d'actualité notamment au niveau de la preuve de concept.

Si les études théoriques en massif MIMO laissent envisager un nombre impressionnant d'antennes (ou d'éléments rayonnants), il n'en reste pas moins un problème d'intégration majeur non encore résolu à ce jour pour de tels systèmes.

Enjeux

Les principaux enjeux de cet axe transversal sont :

  • la caractérisation et la modélisation des canaux.

Pour les systèmes MIMO, il existe déjà peu de modèles facilement utilisables pour les études théoriques. La montée en échelle complexifie encore ce phénomène. Les futures small cells étant majoritairement prévues pour être déployées en extérieur, la notion de mobilité doit également être prise en compte, comme la structure 3D des canaux (azimuth et élévation). De plus,peu de modèles théoriques tenant compte de la mobilité ou des effets Dopller sont disponibles.  Plusieurs campagnes de mesures exploratoires sont disponibles, mettant en évidence la problématique des effet de masquage sont disponibles.

Les compétences de l'IETR permettent à plusieurs experts de participer à ces études.

  • les systèmes à grand nombres d'antennes

Grâce à l'utilisation de fréquences de plus en plus élevés, intégrer un nombre important d'éléments rayonnants devient "théoriqment"  d'un point de vue "purement" encombrement spatial plus facile. Ceci est certes sans compter tous les problèmes technologiques inhérents aux composants micro-ondes que la longue expérience en design d'antennes de l'IETR peut permettre d'aborder.

  • Systèmes MIMO hybrides

Du point de vue  de la théorie de l'information et des communications numériques, augmenter le nombre d'antennes permet grâce à des traitements numériques spécifiques  (précodage) d'augmenter drastiquement la capacité des canaux et d'optimiser les ressources spectrales et temporelles en permettant un accès multiple spatial (SDMA). Si les études théoriques envisagent des performances  jusqu'à plusieurs centaines d'antennes avec un même nombre de chaîne RF, trouver le bon compromis entre le nombre de chaînes RF pouvant être mises en oeuvre  le nombre d'éléments rayonnants fait l'objet de nombreuses études sur l'optimisation hybride des systèmes (analogique et numériques)

Objectifs

Les objectifs de cet axe transversal étaient et restent multiples :

  • Le premier objectif était de fédérer les expertises complémentaires (électromagnétisme, propagation, caractérisation de canal, communications numériques) de l'IETR et de faire travailler ces experts au sein de mêmes projets.
  • Le second objectif était de concevoir des systèmes radio complets : massif MIMO hybrides
  • Le dernier objectif était de développer des coopérations avec le tissus industriel local, d'envisager des projets collaboratifs...

Équipes impliquées

Cinq équipes étaient initialement impliquées dans cet axe transversal :

  • WAVES : modélisation probabiliste des canaux
  • BEAMS : réseau d'antennes
  • SYSCOM : optimisation des formes d'ondes, systèmes MIMO hybrides
  • SCEE : optimisation des formes d'ondes
  • PL : plateforme de simulation déterministe du canal

Les résultats

Les diverses actions menées :

  • des séminaires techniques internes (1 ou 2 par an) avec au départ un gros travail de sémantique pour faire discuter entre eux les experts de différents horizons. Pour les théoriciens de l'information : 1 antenne = 1 chaiîne RF, puisqu'associée à un traitement numériqueà  pour les électromagntéiciens 1 antenne peut être constituée de plusieurs éléments rayonnnants (antenne réseaux ou faisceau) associée à une chaîne RF. La littérature et les effets d'annonces font souvent état de n antennes lorsqu'il ne s'agit en fait de n éléments rayonnants avec un nombre moindre de chaîne RF.
  • le montage en 2016 et la gestion du projet M5HESTIA du labex  Comin Labs intégrant non seulement des acteurs académiques (3 équipes de l' IETR : SYSCOM, BEAM et PL, l'IMT-Atlantique) mais également des partenaires industriels locaux : Orange LAbs et l'IRT Bcom.
    • M5HESTIA mmW Multi-user Massive MIMO Hybrid Equipments for Sounding. Transmission and HW Implementation
    • budget : 510 K€retenu par le Labex (2 thèses et 2 postdocs)
    • Projet visant à la réalisation de systèmes complets large MIMO en bande millimétriques permettant de fédérer les expertises techniques et complémentaires en électromagnétisme, antennes, propagation, et communications numériques
    • des antennes ont été réalisées en vue d'une intégration sur une plateformede l'IETR (long terme) et la plateforme de Bcom : certaines antennes pour le sondage de canal d'autre pour une transmission à 60 GHz
    • de nombreuses études théoriques sur les systèmes hybrides et les large MIMO ont été publiées
    • tous les résultats  se trouvent dans : https://project.inria.fr/m5hstia
  • les actions M5HESTIA qui s'est terminé en 2019 ont été poursuivies dans une action d'innovation du Labex CominLabs nommée mmWSounder dont le but est de finaliser un soundeur de canal 3D. Cette action se poursuivra début 2021 (retards liés au COVID). Des campagnes de mesures indoor vont être effectuées. et/ou en cours
  • L'IETR s'est doté d'un démonstrateur multi-antennes (16 RF) amené à évoluer vers le millimétriques. Plusieurs fincement PEPS IETR ont permis de participer à cette acquisition (5,4 K€ puis 9,9 K€)
  • l impact le plus bénéfique pour l'IETR est la forte collaboration entre SYSCOM et BEAMS jamais permise auparavant de par les financements indépendants. Les résultats des campagnes de mesures vont permettre de renforcer les liens entre ces équipes et PL. D'autres interactions dont celle avec SCEE sur le TeraHertz ont été initiées.
  • l'orgganisation d'un séminaire international sur le mmWave et le TeraHz en novembre 2019 : https://wave-and-thz-com-66.webself.net/home