Lorsque les calculs approchent les limites physiques de la fréquence d'horloge, nous nous tournons vers les architectures multicœurs. Lorsque les communications approchent les limites physiques de la vitesse de transmission, nous nous tournons vers les systèmes multi-antennes. Quels sont les avantages qui ont conduit les scientifiques et les ingénieurs à choisir plusieurs antennes comme base pour la 5G et d'autres communications sans fil ? Si la diversité spatiale a été 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 des systèmes à antenne unique. Décrivons maintenant trois techniques majeures dans ce contexte.
**Formation de faisceau**
La formation de faisceaux est la principale technologie sur laquelle repose la couche physique des réseaux cellulaires 5G. Il existe deux types de formation de faisceaux :
Formation de faisceau classique, également connue sous le nom de ligne de visée (LoS) ou formation de faisceau physique
Formation de faisceau généralisée, également connue sous le nom de formation de faisceau virtuel ou sans ligne de vue (NLoS)
Le principe de ces deux types de formation de faisceaux est d'utiliser plusieurs antennes pour améliorer la puissance du signal vers un utilisateur spécifique, tout en supprimant les signaux provenant de sources interférentes. Par analogie, les filtres numériques modifient le contenu du signal dans le domaine fréquentiel grâce à un processus appelé filtrage spectral. De même, 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 faisceau physique est présente depuis longtemps dans les algorithmes de traitement du signal des systèmes sonar et radar. Elle produit des faisceaux réels dans l'espace pour l'émission ou la réception et est donc étroitement liée à l'angle d'arrivée (AoA) ou de départ (AoD) du signal. De la même manière que l'OFDM crée des flux parallèles dans le domaine fréquentiel, la formation de faisceau classique ou physique crée des faisceaux parallèles dans le domaine angulaire.
En revanche, dans sa forme la plus simple, la formation de faisceau généralisée ou virtuelle consiste à transmettre (ou recevoir) les mêmes signaux depuis chaque antenne d'émission (ou de réception) avec des pondérations de phase et de gain appropriées, de sorte que la puissance du signal soit maximisée vers un utilisateur particulier. Contrairement à l'orientation physique d'un faisceau dans une direction donnée, la transmission ou la réception s'effectue dans toutes les directions. L'essentiel est d'ajouter de manière constructive plusieurs copies du signal côté réception afin d'atténuer les effets d'évanouissement par 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 distinctes. Tant que les trajets des canaux arrivent aux antennes de réception sous des angles suffisamment différents, et 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 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 du zéro (ZF) séparent les symboles de modulation des interférences des autres antennes.
Comme le montre la figure, dans le WiFi MU-MIMO, plusieurs flux de données sont transmis simultanément vers plusieurs utilisateurs à partir de plusieurs antennes de transmission.
**Codage spatio-temporel**
Dans ce mode, des schémas de codage spécifiques sont utilisés pour le temps et les antennes, par rapport aux systèmes à antenne unique, afin d'améliorer la diversité du signal de réception sans perte de débit au niveau du récepteur. Les codes spatio-temporels améliorent la diversité spatiale sans nécessiter d'estimation de canal au niveau de l'émetteur avec plusieurs antennes.
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Date de publication : 29 février 2024