Lorsque la puissance de calcul atteint les limites physiques de la fréquence d'horloge, on se tourne vers les architectures multicœurs. Lorsque les communications atteignent les limites physiques de la vitesse de transmission, on se tourne vers les systèmes multi-antennes. Quels sont les avantages qui ont conduit les scientifiques et les ingénieurs à choisir les antennes multiples comme base de la 5G et des autres communications sans fil ? Si la diversité spatiale était la motivation initiale pour l'ajout d'antennes aux stations de base, on a découvert au milieu des années 1990 que l'installation de plusieurs antennes côté émission et/ou réception ouvrait d'autres possibilités imprévisibles avec les systèmes à antenne unique. Décrivons maintenant trois techniques majeures dans ce contexte.
**Formation de faisceaux**
Le beamforming est la technologie principale sur laquelle repose la couche physique des réseaux cellulaires 5G. Il existe deux types de beamforming :
La formation de faisceaux classique, également connue sous le nom de formation de faisceaux en visibilité directe (LoS) ou formation de faisceaux physiques
La formation de faisceaux généralisée, également connue sous le nom de formation de faisceaux hors visibilité directe (NLoS) ou formation de faisceaux virtuelle
Le principe des deux types de formation de faisceaux est d'utiliser plusieurs antennes pour renforcer le signal destiné à un utilisateur donné, tout en supprimant les signaux parasites. Par analogie, les filtres numériques modifient le contenu du signal dans le domaine fréquentiel, un processus appelé filtrage spectral. De la même manière, la formation de faisceaux modifie le contenu du signal dans le domaine spatial. C'est pourquoi on parle également de filtrage spatial.
La formation de faisceaux physiques est utilisée depuis longtemps dans les algorithmes de traitement du signal pour les systèmes sonar et radar. Elle génère des faisceaux physiques dans l'espace pour l'émission ou la réception et est donc étroitement liée à l'angle d'arrivée (AoA) ou à l'angle de départ (AoD) du signal. De même que la modulation OFDM crée des flux parallèles dans le domaine fréquentiel, la formation de faisceaux classique ou physique crée des faisceaux parallèles dans le domaine angulaire.
En revanche, dans sa forme la plus simple, la formation de faisceaux généralisée ou virtuelle consiste à transmettre (ou recevoir) les mêmes signaux depuis chaque antenne d'émission (ou de réception) avec une mise en phase et une pondération de gain appropriées, de sorte que la puissance du signal soit maximale pour un utilisateur donné. Contrairement à l'orientation physique d'un faisceau dans une direction précise, la transmission ou la réception s'effectue dans toutes les directions. L'astuce réside dans l'addition constructive de plusieurs copies du signal côté réception afin d'atténuer les effets de l'évanouissement dû aux trajets multiples.
**Multiplexage spatial**
En mode multiplexage spatial, le flux de données d'entrée est divisé en plusieurs flux parallèles dans le domaine spatial, chaque flux étant ensuite transmis sur des chaînes d'émission différentes. Tant que les trajets des canaux arrivent aux antennes de réception sous des angles suffisamment différents, avec une corrélation quasi nulle, les techniques de traitement numérique du signal (DSP) peuvent convertir un support sans fil en canaux parallèles indépendants. Ce mode MIMO a été le principal facteur d'augmentation considérable du débit de données des systèmes sans fil modernes, car des informations indépendantes sont transmises simultanément par plusieurs antennes sur la même bande passante. Des algorithmes de détection comme le forçage à zéro (ZF) isolent les symboles de modulation des interférences provenant d'autres antennes.
Comme le montre la figure, en WiFi MU-MIMO, plusieurs flux de données sont transmis simultanément à plusieurs utilisateurs à partir de plusieurs antennes d'émission.
**Codage spatio-temporel**
Dans ce mode, des schémas de codage spécifiques sont utilisés dans le temps et entre les antennes, contrairement aux systèmes à antenne unique, afin d'améliorer la diversité du signal reçu sans perte de débit. Les codes spatio-temporels améliorent la diversité spatiale sans nécessiter d'estimation de canal à l'émetteur, même avec plusieurs antennes.
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Date de publication : 29 février 2024