Les différents types de codage MIMO

Les différents types de codage MIMO

Dans un système MIMO, il existe plusieurs méthodes pour effectuer le codage des signaux :
– Le multiplexage par répartition de fréquence orthogonale (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Consiste à distribuer sur un grand nombre de porteuses, le signal numérique que nous souhaitons transmettre. Comme si nous combinons le signal à transmettre sur des émetteurs indépendants et à des fréquences différentes. Pour que les fréquences des sous-porteuses soient les plus proches possibles et ainsi transmettre le maximum d‟information sur une portion de fréquences donnée, l‟OFDM utilise des sous-porteuses orthogonales entre elles. Les signaux des différentes sous-porteuses se chevauchent mais grâce à l‟orthogonalité n‟interfèrent pas entre eux. Ainsi, dans un environnement multi-trajets ou certaines fréquences sont détruites à cause des perturbations, le système sera tout de même capable de récupérer l‟information perdue sur d‟autres fréquences porteuses qui elles n‟auront pas été détruites [WIK].

– Le multiplexage par division spatiale (SDM Spatial Division Multiplexing) ou multiplexage spatial. Est une technique utilisée pour améliorer le débit de transmission de données. Il consiste à multiplexer simultanément plusieurs flux de données indépendants (essentiellement des canaux virtuels) dans un canal spectral. Chaque flux spatial doit disposer de sa propre paire d‟antennes de transmission/réception à chaque extrémité du lien radio. Le multiplexage spatial consiste à émettre simultanément Nt symboles de modulation sur Nt antennes d‟émission sans codage espace-temps de ces symboles. Ainsi, il améliore la capacité du canal avec le nombre d‟antenne en émission et en réception [FOGA98].

Dans un système MIMO idéal, le maximum de canaux parallèles que l‟on peut avoir est égal à min (Nt, Nr). Puisque les systèmes de communications sans fil exigent des débits de transmission très élevés et un faible taux d‟erreur binaire, le BLAST (Bell Labslayers Space Time) est une technique de multiplexage utilisée dans les systèmes de communications sans fil et qui permet de transmettre plusieurs symboles en même temps avec la même fréquence. Il est important de noter qu‟une chaine de radio- fréquences RF et qu‟un convertisseur analogique-numérique distincts sont nécessaires pour chaque antenne du système MIMO. Les configurations qui nécessitent plus de deux chaines d‟antennes RF doivent être conçues avec attention pour maintenir des couts peu élevés tout en répondant aux attentes en matière de performances [INT]. Le principe de la technique de multiplexage spatial est présenté dans la figure 2.3.

-Le codage spatio-temporel.
Tout comme le SDM, permet d’envoyer des signaux différents sur chaque antenne. Le codage spatio-temporel consiste à introduire une corrélation spatiale et temporelle entre les signaux qui sont transmis par les différentes antennes de manière intelligente pour augmenter le gain de diversité et fournir un codage afin de minimiser les erreurs en réception [thèse I.DIOUM]. Cette technique est conçue spécialement pour l‟utilisation d‟antennes multiples en émission. Il permet d‟améliorer la performance du système par l’exploitation des antennes multiples pour le gain de diversité plutôt que pour le gain de multiplexage spatial des flux de données parallèles [CHIA06]. Le principe du codage spatio-temporel est d‟introduire de la redondance aux données binaires émises afin d‟augmenter la diversité spatiale et éviter les évanouissements propres au canal radio.

La différence avec le multiplexage spatial est que le codage spatio-temporel prend un seul flux de données pour le coder dans le temps et dans l‟espace pour produire des flux de symboles pour chaque antenne d‟émission. Le codage spatial est utilisable dans le cas où le canal n‟est pas connu à l‟émission. Le principe de la technique de codage spatio-temporel est présenté dans la figure2.4. Il est à noter que ce type de codage n‟améliore pas la capacité de transmission linéairement avec le nombre d‟éléments utilisés. Ainsi pour améliorer à la fois la capacité et la qualité, un système MIMO doit être implémenté avec les deux types de codages à savoir le multiplexage par division spatiale (SDM) ou multiplexage spatial et le codage spatio-temporel [PLI04 thèse Aliou diallo].
FIGURE 2.4 : Principe du codage spatio-temporel.

Capacité de canal MIMO

Pour un canal MIMO (Figure 2.5), avec M antennes émettrices et N antennes réceptrices :
FIGURE 2.5 : système MIMO.
Dans ce cas le canal MIMO est traduit par une matrice H de taille N×M dite matrice de canal est le gain complexe du canal entre la j-ème antenne émettrice et la i-ème antenne réceptrice. C =( * +) (2.1)
Lorsque N et M sont grands, l’espérance de la capacité pour un canal de Rayleigh croît proportionnellement à N : E ] N (2.2)
La capacité augmente donc beaucoup plus vite que dans le cas SISO grâce au grand nombre d’antennes multiple.

Comparaissions des capacités et limites des systèmes MIMO entre les systèmes SISO et SIMO.

– Dans le cas SISO (M = 1 et N = 1) la capacité varie de 1 à 7,5 bps/Hz. Elle reste faible et croît lentement avec le SNR, ce qui illustre bien les limitations des transmissions SISO. Malgré les techniques qui permettent de maximisé l‟utilisation d‟un canal SISO, sa capacité demeure limitée et un système multi-antennes, même sous-exploité, on obtiendra de meilleures performances.
– Les deux exemples SIMO (M = 1, N = 3 et N = 7) montrent les limites supérieures des traitements. Le passage à trois antennes en réception permet de gagner 2 bps/Hz par rapport au SISO, en particulier à fort SNR. Avec N = 7 le gain est d‟environ 1,5 bps/Hz, ce qui est peu pour quatre antennes supplémentaires. Comme pour les systèmes SISO, la capacité augmente lentement ce qui reste la principale limitation des systèmes SIMO.

– Les deux exemples MIMO considérés ont le même nombre total d‟antennes que les systèmes SIMO, de façon à faciliter les comparaisons (M + N = 4 puis 8). Pour un SNR de 0 dB, le système MIMO avec M = 2 et N = 2 a une capacité équivalente à celle du système SIMO avec quatre antennes. La capacité MIMO augmente ensuite beaucoup plus rapidement avec le SNR, pour finir avec un gain de plus de 50% à 25 dB de SNR. Nous pouvons aussi vérifier que la capacité du système MIMO à huit antennes est presque le double de celle du système à quatre antennes.[Thése aliou thiame ]

La figure 2.6 représente les courbes de la capacité en fonction du SNR pour plusieurs valeurs de N et M ; on n‟a obtenu ces courbes sous MATLAB.
FIGURE 2.6 : Variation de la capacité dans les systèmes MIMO, SISO et SIMO fonction de M antennes émettrices et N antennes réceptrices.

Le système MIMO présente de nombreux avantage comme montré précédemment, mais il présente de nombreuse limites parmi ces limites on peut citer le problème de la diversité démission qui est le faite d‟envoyer le signale en parallèle sur sous canaux avec une superposition des ondes au récepteur créant des interférences, l‟encombrement, espacement, topologie des antennes. Vue tous ces limites il est nécessaire d‟amélioré les systèmes MIMO d‟où introduction des systèmes MIMO massifs.

Systèmes MIMO massifs.

Introduction.

MIMO massif ou Massive MIMO est un système MIMO à multi-utilisateurs où les stations de bases et le nombre d’utilisateurs sont très nombreux. Dans un système MIMO massif, un très grand nombre d’utilisateur peuvent être connecté de manière simultanément et dans la même fréquence. Les systèmes MIMO massifs sont des catalyseurs pour le développement des réseaux à large bande (fixes et mobiles), qui sera efficace sur le plan énergétique, robuste, et utilisera le spectre de manière efficace. De nombreuses configurations et scénarios de déploiement différents peuvent être envisagés dans la figure 2.7.

FIGURE 2.7 : Types de configurations et déploiement d‟une station de base pour le MIMO massif.
Au niveau de la liaison montante, il est plus facile d‟estimer le canal quand les terminaux envoient des signaux à la station de base tandis qu‟il est plus complexe au niveau de la liaison descendante. Tout d‟abord la station de base envoi des signaux aux terminaux, puis estime le canal pour pouvoir le quantifier. Enfin, l‟estimation obtenue est renvoyé à la station de base.

Ce qui est impossible pour le MIMO massif pour deux raisons. Premièrement, le signal au niveau de la liaison descendante doit être orthogonal c’est-à-dire tant que le nombre d‟antennes augmente, plus de fréquence et de temps sont utilisé par rapport au MIMO classique [32.2]. Deuxièmement, vu que chaque terminal accepte plusieurs signaux, l’estimation de canal augment alors par rapport aux nombre d’antennes à l’émission. La solution à ce problème est donc d‟utiliser la technique Duplex par séparation temporelle (ou Time-Division Duplex, TDD) et de dépendre à la réciprocité des liaisons montantes et descendantes du canal [33], donc il est nécessaire d‟avoir une bonne connaissance du canal, au niveau de la liaison montante et descendante.

Caractéristiques d’un système MIMO massif.

Le MIMO massif est un système qui s‟appuie sur l‟exploitation de la dimension spatiale, créant ainsi plusieurs degrés de liberté et stimulant le principe de la transmission simultanée par multiplexage spatial. Le principe est de servir différents utilisateurs dans la même ressource temps-fréquence peut être considéré comme un élément-clé pour la 5G de réseaux mobiles en raison de l‟épuisement du spectre de fréquence et pour répondre aux contraintes d‟efficacité spectrale. Cette technologie consiste à équiper une station de base par un nombre élevé M d‟antennes pour servir un nombre d‟utilisateurs K sous la supposition M modèle du système MIMO massif est illustré à la figure 2.8.

Techniques de transmission TDD et FDD.

Le MIMO massif en principe utilise le duplexage par répartition dans le temps TDD (Time Division Duplexing) dans lequel les canaux montants et descendants se partagent dans le temps la même ressource en fréquences. Les canaux physiques de propagation montants et descendants sont dites réciproques : il suffit d‟évaluer le sens montant pour permettre à la station de base d‟élaborer les paramètres à appliquer pour le précodage du signal descendant et à la combinaison des signaux reçus pour extraire le signal émis par chaque terminal. Pour ce faire, les terminaux émettent périodiquement une séquence de pilotes : ces K séquences sont en principe orthogonales.

Pour l‟utilisation du monde duplexage par répartition de fréquence FDD, où les sens montants et descendants utilisent des bandes de fréquences distinctes au système MIMO massif, il faut effectuer l‟évaluation des canaux radio à la fois dans le sens montant et dans le sens descendant : les résultats des mesures effectuées par les terminaux doivent être retournés à la BS. On montre dans [34] que le domaine d‟efficacité du MIMO massif se réduit car on note des limites qui sont du a de faible mobilité et de basse fréquence. Mais la limitation du MIMO massif au mode de duplexage TDD peut constituer une contrainte à son usage dans la mesure où beaucoup de réseaux est fondée sur le FDD.

Pour le moment en réserve de certaines hypothèses la contrainte propre au FDD pourrait être levée, mais on ne sait pas si ces hypothèses sont réalistes. On en retiendra que l’utilisation de MIMO massif reste pour l’heure liée au mode TDD. Par exemple, si l’intervalle de cohérence est = 200 symboles (correspondant au bande passante de cohérence de 200 kHz et de temps de cohérence de 1ms). Alors, en utilisant le système FDD, le nombre d’antenne à la station de base et le nombre d’utilisateur sont limité par M+K<200, tandis que pour le système TDD, la limite de M et de K est 2K<200. La figure 2.8 montre les régions possibles (M, K) en système FDD et TDD. On peut constater que la région FDD est plus petite que celle de la TDD. L’ajout d’antennes de plus n’affecte donc pas les ressources nécessaires pour l’estimation du canal, pour le système TDD.