Massive MIMO : Fonctionnement (Troisième Article)

Voici le troisième article sur le déploiement du Massive MIMO.

Se référer aux articles précédents :

Massive MIMO : Définition (Première Partie)

Massive MIMO : Description de l’antenne (Deuxième partie)

La spécification pour le LTE définit 8 modes de transmission, le LTE-Advanced en défini 10 et un onzième mode est rajouté dans la release R.11. A part le mode TM1 qui ne nécessite qu’une seule antenne en émission et en réception, les autres modes permettent :

  • d’apporter une meilleure robustesse du canal par de la diversité en émission ou par la gestion de faisceau ;
  • d’améliorer la capacité par une transmission MIMO. Dans le cas du MIMO, le nombre de couches MIMO dépend du nombre de transmission décorrélées entre l’émetteur et le récepteur. Soit H la matrice du canal de propagation, le rang du canal correspond au nombre de couches MIMO possible.

Il est donc nécessaire d’avoir une antenne avec une colonne d’éléments rayonnants, la polarisation cross-polaire permet de doubler la diversité.

Une antenne est alors configurée par :

  • un seul élément rayonnant ;
  • deux éléments rayonnant en cross-polaire ;
  • une colonne d’élément rayonnant (avec une seule ou deux polarisation) ;
  • de plusieurs colonnes, chaque colonne contient plusieurs éléments rayonnants (en nombre égal).

Dans le cas des antennes actives, plusieurs AE sont regroupés dans un TRX, et

On définit les caractéristiques de l’antenne par une lettre A à I :

Figure 14 : La configuration des antennes (extrait livre : « LTE-Advanced Pro, Une étape vers le réseau de mobiles 5G », LAUNAY, PEREZ)

Les modes de transmissions nécessitent une configuration d’antenne :

  • TM1 : SISO n’utilise qu’une seule colonne et une seule polarité
  • TM2 : Diversité en transmission nécessite 2 ou 4 colonnes d’éléments rayonnants. Elle peut donc utiliser la configuration d’antenne D (une colonne de polarisation +/- 45°), E, F, H ou I. Avec deux colonnes, le codage utilisé est le code d’Alamouti SFBC (Space Frequency Block Codes), avec 4 colonnes on rajoute de la diversité temporelle FSTD (Frequency Shift Time Diversity).
  • TM3 : SU-MIMO en boucle ouverte avec diversité CDD (Cyclic Delay Diversity) nécessite 2 ou 4 colonnes d’éléments rayonnants. Elle peut donc utiliser la configuration d’antenne B, D (une colonne de polarisation +/- 45°), E, F, H ou I.
  • TM4 : SU-MIMO en boucle fermée avec la configuration d’antennes B,D,E,F,H ou I
  • TM5 : MU-MIMO avec la configuration d’antennes B,C,E,F,H.
  • TM6 : Multiplexage spatiale pour la formation de faisceau avec la configuration d’antennes B,C,E,G (plusieurs colonnes) par précodage numérique (PMI)
  • TM7 : Multiplexage spatial pour la formation de faisceau et MIMO dans une direction donnée en exploitant l’angle d’arrivée (AoA) ou direction à l’arrivé (DoA). Le mobile ne distingue plus une antenne physique comme dans les modes précédents mais une antenne virtuelle (cf. figure 4) en s’appuyant sur des éléments rayonnants à égales distances (ULA : Uniform Linear Array) dont la distance est inférieure à lambda/2 (lambda est la longueur d’onde). Ce mode nécessite la configuration d’antennes B,C,E,G.
  • TM8 : Introduit dans la R.9, le mode TM8 est similaire au TM7 avec deux couches.
  • TM9 : SU-MIMO et MU-MIMO à 8 couches.

Pour le mode TM7, la spécification 3GPP introduit la notion d’antenne virtuelle AP5 : le terminal ne voit qu’une seule antenne virtuelle mais l’orientation numérique du faisceau est obtenue en apportant un déphasage et un gain constant sur chacune des antennes physiques. Une antenne physique est nommée dans cet article par antenne individuelle : le même signal est transmis sur 4 TRX avec une pondération différente, chaque TRX est connecté à une antenne individuelle.

Figure 15 : La connexion de l’antenne virtuelle et physique

Le standard 3GPP introduit la notion de port d’antenne, qui une nouvelle fois peut apporter de la confusion. Un port d’antenne est un port logique.

Tableau 1 : Les ports d’antenne pour la 4G

Comme l’indique la table 1, les signaux de références correspondent à un numéro de port d’antenne. Les ports d’antennes correspondants au UE Specific RS sont utilisés pour la formation du faisceau (obligatoirement supporté en mode TDD et optionnel en mode FDD).

Les signaux de références sont référencés à un numéro de port d’antenne, mais plusieurs ports d’antennes différents transmettent le signal vers la même antenne individuelle (antenne physique) ou transmis vers plusieurs antennes individuelles. La station de base gère la correspondance entre un port d’antenne et l’antenne individuelle.

Dans le cas de la formation d’un faisceau numérique (beamforming), le calcul des pondérations à effectuer sur chaque antennes individuelle (nommé aussi poids) est réalisé par la station de base en s’appuyant sur le rapport de retour d’état du canal 4G (CSI à partir des signaux de références) ou à partir des signaux de références sur le lien montant.

II-2) Les signaux de références

Un signal de référence (CRS ou CSI-RS) est une séquence pseudo-aléatoire transmise sur chaque antenne individuelle. La séquence pseudo-aléatoire permet au récepteur de séparer les différentes séquences CSI-RS et d’estimer la qualité du signal reçu au niveau de chaque séquence de référence.

Le récepteur n’a pas besoin de connaître le nombre d’antennes individuelles de l’antenne MIMO (ou Massive MIMO, il doit savoir combien de signaux de référence il doit mesurer. Il retourne ainsi l’état du canal de propagation ayant affecté chaque signal de référence. Pour que cette information soit utile, il est nécessaire que les signaux de références soient décorrelées. Ainsi, chaque signal de référence doit être transmis sur une et une seule antenne individuelle.

Dans le cas du LTE (R8, R9), le MIMO était limité à 4 antennes. L’exploitation de 4 signaux de références CRS suffit.

Si la release 10 augmente à 8 signaux de références CSI-RS, il est nécessaire de monter à 16 (R.13) puis 32 (R.14) signaux de références CSI-RS pour augmenter le nombre de chaîne de transmission TRX. Mais cela reste insuffisant pour fonctionner avec une antenne massive-MIMO 64T64R sauf si l’on transmet deux séquences CSI-RS sur deux antennes individuelles dont la polarisation est croisée (il s’agit ici d’une hypothèse, je n’ai aucune certitude sur ce point.)

Pour lever cette limitation, dans le cas LTE-FDD la station de base utilise la combinaison des signaux SRS et CSI-RS. Le signal SRS est le signal de référence émis par le terminal mobile vers la station de base. Ainsi dans le cas de la 4G TDD, il est plus efficace d’exploiter l’estimation du canal sur le lien montant.

Pour les modes TM7 et TM8 en 4G, la station de base utilise les signaux de références UE-RS. Pour la station de base 5G, la station de base s’appuie sur le signal de référence SRS du lien montant.

Dans le cas de la 5G à 3,5 GHz, les signaux de références du lien montant SRS suffisent à la station de base pour estimer la formation du faisceau.

Toutefois, le nombre de signaux de références CSI-RS étant limité, la 5G NR en mode FDD s’appuie sur deux méthodes :

  • Reciprocity based CSI : Il s’agit d’estimer le signal de référence CSI-RS à partir des signaux SRS
  • Closed Loop : Le terminal UE envoie à la station de base les informations du canal CSI

II-3) Le mode de transmission Massive MIMO en 5G

Pour améliorer les performances de la méthode Closed Loop, l’accès initial propose une commutation des faisceaux (beam switch transmission procedure) en utilisant différent blocs SSB. Au niveau de l’antenne, un réseau de calibration est nécessaire pour pointer dans la bonne direction. Ainsi, le terminal UE détermine le bloc SSB et renvoie les informations du canal pour chaque faisceau reçu à la station de base gNB. Ensuite, des informations complémentaires peuvent être transmis selon le type de configuration choisi :

  • CSI TYPE 1 : Normal (PMI) feedback dans le cas du SU-MIMO donnant la direction du faisceau le plus important
  • CSI TYPE 2 : Enhanced (explicit or codebook based) dans le cas du MU-MIMO en apportant plus d’information de retour par le terminal à la station de base.

ANNEXE

Reference 1 :

https://www.5gamericas.org/wp-content/uploads/2019/07/MIMO_and_Smart_Antennas_July_2013_FINAL.pdf)

Référence 2 : Livre « LTE-Advanced Pro, Une étape vers le réseau de mobiles 5G », Launay F, Perez A

(https://www.amazon.fr/LTE-Advanced-Pro-Fr%C3%A9d%C3%A9ric-Launay/dp/1784055778)

Massive MIMO : Description de l’antenne (Deuxième partie)

Suite de l’article : Massive MIMO : Définition (Première Partie)

I-4) La structure d’une antenne

Sur l’exemple ci-dessous extrait du site 5GAmericas (Reference 1), l’antenne est simplement constituée d’une colonne d’éléments rayonnants. L’antenne est équipée de 4 connecteurs coaxiaux, chaque connecteur est relié à une chaîne radio RF. Parmi ces 4 connecteurs, deux connecteurs permettent de fonctionner sur deux bandes différentes, et deux connecteurs sont utilisés pour l’exploitation de la polarisation cross-polaire (+/- 45°).

Figure 8 : Antenne 4G

Sur le schéma on observe 18 éléments rayonnants (Antenna Element), 10 éléments rayonnant sont conçus pour fonctionner dans une bande de fréquence avec une polarisation +/-45°, les 8 autres pour une autre bande de fréquence avec une polarisation de +/- 45°.

Il s’agit néanmoins que d’une seule antenne composée d’une colonne d’éléments rayonnants cross-polaire (single cross polarized column). Un panneau d’antennes (pannel antenna) représente un ensemble d’éléments rayonnants (AE) régulièrement espacés (Linear arrays).

Un circuit de connexion (feed network) réparti les signaux des connecteurs de la chaîne RF vers les éléments rayonnants correspondants (figure 8).

Figure 9 : Le circuit de connexion de l’antenne (feed circuit)

Pour reprendre les définitions précédentes : L’antenne dispose de 4 connecteurs TRX, deux connecteurs TRX fonctionnant sur une bande de fréquence, deux autres sur une autre bande.

Chaque antenne individuelle TRX se compose de 4 ou 5 éléments rayonnants. Chaque élément rayonnant fonctionnant sur une bande de fréquence et de même polarisation transmet donc le même signal RF. Si le déphasage apporté par le circuit de connexion est figé (feed circuit), on apporte un gain RF non contrôlé en temps réel (pas de possibilité d’orienter le faisceau RF de manière analogique, on peut toujours réaliser du beamforming numérique dans une bande donnée à partir des 2 antennes individuelles cross-polaires). Il s’agit d’antenne passive.

Le tiltage électronique peut être réalisé de manière mécanique soit par le contrôle d’un moteur DC soit par le déphasage apporté au niveau du circuit de connexion (signal RET e-tilt sur la figure 8).

Le faisceau commuté (switch beam) est une avancée vers l’antenne intelligente. L’objectif est de sélectionner le meilleur faisceau en fonction des conditions radios. Dans le cas de la matrice de Butler 4T4R, les 4 antennes individuelles sont toutes connectées à 4 éléments rayonnants avec une combinaison sur le déphasage de manière à transmettre 4 faisceaux différents.

Figure 10 : La commutation de faisceau

Chaque signal en entrée (4 signaux RF) peut donc être transmis dans une direction donnée.

Couplage du MIMO et du BeamForming : Pour transmettre le signal radio dans une direction donnée (Beamforming), il faut transmettre le même flux sur plusieurs antennes individuelles. Dans le cas suivant, l’antenne MIMO est une antenne 8T8R car elle est connectée à 8 chaînes radio RF. Chaque antenne individuelle est connectée à une colonne d’éléments rayonnant dans une polarisation donnée. La figure 11 montre 4 colonnes cross-polaires.

La directivité de l’onde nécessitant l’utilisation de plusieurs antennes individuelles de même polarisation, il est donc possible de générer deux ondes directives (nommés BeamForming BF1, BF2) à partir d’un poids de pondération à appliquer sur chaque antenne individuelle.

Il est donc possible :

  • de transmettre 8 flux identiques pour un seul utilisateur en exploitant les 8 antennes individuelles, dans ce cas on a un faisceau étroit et directif ;
  • ou de réaliser 4 flux MIMO pour augmenter la capacité et le ressenti utilisateur.

Figure 11 : L’antenne MIMO 8T8R

I-4) L’évolution vers le FD-MIMO.

Jusqu’à présent, la directivité de l’onde en élévation (vertical) était réalisée par un tiltage électronique (RET) lors du placement de l’antenne et cette configuration figeait la directivité dans la cellule.

Avec la technique FD-MIMO, il est possible de diriger le faisceau en élévation et en azimuth par l’exploitation d’un réseau d’antennes rectangulaires (ULA 2D) en temps réel.

Figure 12 : L’antenne ULA 2D

A partir de l’angle des signaux d’arrivé et d’un DSP intégré, l’antenne devient intelligente et peut contrôler la phase pour orienter le faisceau RF, on parle d’antenne active :

Figure 13 : Contrôle de la phase appliquée sur chaque AE de l’antenne individuelle

Les antennes Massive MIMO sont des antennes actives. La puissance de transmission  de l’antenne peut monter jusqu’à 120 W pour 128 AE et 180 W pour 192 AE lorsque tous les éléments rayonnants émettent à puissance maximales. La consommation électrique est bien supérieure, je n’ai pas les chiffres à ce jour.

 

Massive MIMO : Définition (Première Partie)

Je vous propose une série de 3 articles pour comprendre le massive MIMO. Je me suis appuyé sur les documents :

  • 3GPP;
  • 5G América;
  • et les informations des équipementiers comme Nokia, Ericsson et Huawei.

Cependant,malgré quelques réponses de Emil Björson (https://ma-mimo.ellintech.se/author/eb/) , et de Jakob Hoydis (Nokia), il y a une grande part d’interprétation. Je les remercie d’avoir pris le temps de me répondre.

N’hésitez donc pas à commenter ces articles pour améliorer le contenu, merci.

  1. Description générale du MIMO au Massive MIMO

I-1) Définition

La technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) consiste à transmettre simultanément N flux d’informations sur N antennes d’émission (un flux d’information par antenne d’émission) et chaque flux est reçu par M antennes en réception.

Le flux transmis par antenne peut être :

  • un même flux avec un précodage pour :
    • améliorer la diversité en émission (se référer aux codes Alamouti SBFC) ;
    • diriger le flux dans une direction donnée (avec un précodage pour orienter le flux – beam RF) ;
  • des flux différents (K flux, K est inférieur ou égal à N) pour augmenter la capacité de la station de base et améliorer le ressenti utilisateur.

Figure 1 : Le principe du MIMO

La notion de faisceau porte à confusion. On fera donc la différence entre :

  • un faisceau RF (beam RF) transmis dans une direction donnée en utilisant plusieurs antennes qui transmettent toutes le même flux;
  • un faisceau MIMO (beam) qui utilise plusieurs antennes pour transmettre différents flux ;
  • un faisceau MIMO dans une direction donnée (un faisceau RF) : le faisceau MIMO est constitué de plusieurs faisceaux RF (plusieurs beam RF) pour transmettre les flux différents dans une direction donnée. A titre d’exemple, on peut utiliser 16 antennes pour faire du 4×4 MIMO dans une direction donnée.

La notion d’antenne porte aussi à confusion, on parle en effet d’une antenne MIMO pour évoquer en réalité un réseau d’antennes (antenna array) ou un système multi-antennes. Pour clarifier les éléments, dans cet article, on nomme antenne MIMO, un réseau d’antennes constitué de plusieurs antennes individuelles et chaque antenne individuelle peut être constituée d’un réseau d’éléments rayonnants.

On va donc poser les définitions suivantes :

  • un réseau d’antennes est un ensemble de plusieurs antennes individuelles pouvant fonctionner ensemble comme une seule antenne nommée antenne MIMO;
  • les antennes individuelles sont connectées à un seul récepteur ou émetteur nommé TRX ;
  • l’évolution des techniques d’intégration permettent d’intégrer plusieurs éléments d’antennes (nommé Antenna Element) par antenne individuelle.

Une antenne du radio cellulaire (2G/3G/4G) est composée d’un ensemble d’éléments rayonnants protégé par un radôme :

Figure 2 : Le Radôme

Un élément rayonnant est appelé élément d’antenne (AE : Antenna Element). L’élément rayonnant présente un diagramme de rayonnement de 180° :

Figure 3 : Le Diagramme de rayonnement d’un élément d’antenne

Le module TRX est le module permettant de passer du signal en bande de base vers le signal RF. Il est composé d’un émetteur et d’un récepteur. En émission, le signal RF est transmis du module TRX à l’antenne individuelle, en réception l’antenne individuelle transmet le signal au module TRX.

L’antenne individuelle est constituée d’un réseau d’éléments rayonnants AE.

L’antenne MIMO est composée d’un ou de plusieurs panneaux d’antennes individuelles.

Les éléments rayonnant peuvent être co-localisés ou distribués.

Il existe deux modèle de connexion :

  • une antenne individuelle est connectée à un seul TRX, on parle de modèle de partitionnement ;
  • une antenne individuelle est connectée à plusieurs TRX, on parle de modèle complet.

En général, les antennes individuelles sont connectées à un ensemble d’éléments d’antennes colocalisées ou distribuées (sous-panneau – subarray), on est donc sur un modèle de partitionnement.

Figure 4 : Le modèle de connexion des TRX aux éléments d’antennes

I-2) La formation du faisceau RF

Un émetteur MIMO est composé de plusieurs modules d’émissions (N TX) chaque chaîne de transmission radio TX est connectée à une antenne individuelle.

Un récepteur MIMO est composé de plusieurs modules de réception (M RX) chaque chaîne de réception radio RX est connectée à une antenne individuelle.

Dans le cas de l’antenne MIMO, la formation d’un faisceau RF (beam RF) est un ensemble de gain et de déphasage appliqué sur les TRX de l’antenne par un précodage numérique.  La formation du faisceau est donc réalisée à partir d’un sous-réseau d’antennes individuelles passives.

Dans le cas de l’antenne Massive MIMO, chaque TRX est constitué d’un ou plusieurs éléments rayonnants (AE). Le contrôle des éléments rayonnant apporte un gain supplémentaire dans une direction donnée grâce à un contrôle en amplitude et en phase du signal issu du TRX (beam analog steering). Il s’agit donc d’un sous-réseau actif d’antennes et on parle de système d’antennes actives (AAS : Active Antenna System).

Figure 5 : Le contrôle de la direction du faisceau dans le domaine analogique

Si les éléments d’antennes sont régulièrement espacés (ULA : Uniform linear Array), la direction d’arrivée de l’onde est estimée à partir de la différence de marche :

Figure 6 : Calcul de la différence de marche

Pour un signal de bande étroite, en appliquant le retard (la différence de marche) sur chaque élément d’antenne, le signal reçu est le suivant :

(Equation 1)

 

On peut également écrire sous forme vectorielle :


(Equation 2)

 

 

 

Avec a la direction du faisceau.

A l’inverse, en appliquant un déphasage sur chaque élément d’antenne rayonnant, il est possible d’orienter le faisceau (faible bande car la formule dépend de la longueur d’onde) dans une direction donnée (AoD : Angle of Departure).

La simulation sous Matlab se programme ainsi :

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% SIMPLE UNIFORM LINEAR ARRRAY
% WITH VARIABLE NUMBER OF ELEMENTS
% MATRIX IMPLEMENTATION
% COPYRIGHT RAYMAPS (C) 2018

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
clear all
close all

f=1e9;
c=3e8;
l=c/f;
d=l/2;

no_elements=4;
theta=0:pi/180:2*pi;

n=1:no_elements;
n=transpose(n);

A=(n-1)*(i*2*pi*d*cos(theta)/l);
X=exp(-A);
w=ones(1,no_elements);
r=w*X;

polar(theta,abs(r),'r')
title ('Gain of a Uniform Linear Array')


(source : http://www.raymaps.com/index.php/fundamentals-of-a-uniform-linear-array-ula/)

Figure 7 : Diagramme de rayonnement (angle et gain) en fonction du nombre d’éléments d’antenne

Le gain apporté par l’antenne individuelle (sur laquelle est connectée le TRX) est égal au nombre d’élément rayonnants, cela revient à concentrer la puissance du signal dans un faisceau étroit. Quel que soit le diagramme de rayonnement, la puissance transmise dans le faisceau est identique, par contre plus le faisceau est fin plus la couverture est importante. Si N est le nombre d’éléments rayonnants, le gain en dB s’exprime par 10*log10(N).

En réception, la station de base est en mesure de déterminer la position du mobile selon une des deux méthodes :

  • en analysant le signal de réception sur les différentes antennes (cf. equation 2). Le calcul de l’angle d’arrivée (AoA : Angle of Arrival ou DoA : Direction of Arrival) utilise un algorithme de traitement du signal comme MUSIC ou ESPRIT ;
  • à partir du rapport de mesure transmis par le terminal mobile (CSI : Channel State Information).

En émission, la station de base peut diriger le faisceau dans une direction donnée en appliquant un déphasage et un gain sur chacun des éléments rayonnants : pour diriger un faisceau (beam) dans une direction donnée, il est nécessaire d’apporter un poids sur chaque élément rayonnant :

La valeur du vecteur de poids w est estimée à partir d’une des deux méthodes décrites ci-dessus (estimation AoA ou CSI).

I-3) La formation du faisceau

L’une des complexités du Massive MIMO réside dans le contrôle du gain et de la phase de chaque élément d’antenne. Pour réduire cette complexité, la formation du faisceau est réalisée par un précodage numérique (digital beamforming) à partir d’un sous-résau d’antennes passif suivi d’un gain apporté par le tableau d’élément rayonnant (plusieurs AE) par un sous-réseau d’antennes actives. On parle alors de technique hybride (hybrid : digital and analog) formant un système d’antennes actives.

Nous avons vu précédemment qu’une antenne individuelle était connectée à une ou plusieurs chaîne radio TRX. Donc, une chaine radio (TRX) est connectée à une antenne individuelle, laquelle pour rappel est composée d’un ensemble d’éléments rayonnants.

Le précodage en bande de base consiste à contrôler les flux au niveau de chaque chaîne radio TRX. Ainsi dans le cas d’une antenne 64T64R, le précodage numérique contrôle 64 flux.

Le précodage analogique permet d’apporter un gain RF supplémentaire.

Pour résumer :

  • le précodage numérique (en bande de base) permet de contrôler un ensemble d’antenne individuelle par TRX. Le précodage s’appuie sur les retours CSI ;
    • du MIMO en transmettant des flux différents sur différentes antennes individuelles ;
    • de la formation d’un faisceau en transmettant le même flux vers différentes antennes individuelles (plusieurs TRX transmettent le même flux).
  • le précodage analogique (sur le signal RF) permet de contrôler les éléments d’antennes constituant un TRX. Le précodage s’appuie sur l’estimation de l’angle à l’arrivée.
    • Le précodage analogique en RF permet d’orienter le faisceau dans une direction donnée.

Il est ainsi possible

  • d’affiner le faisceau (beam) dans une direction donnée en couplant le précodage numérique et analogique ;
  • ou de faire du MIMO directif en couplant le MIMO du précodage numérique en dirigeant les faisceaux (le faisceau MIMO est formé à partir de plusieurs faisceaux RF).

Il existe deux types de connexion entre l’antenne individuelle de la chaîne radio TRX et les éléments d’antennes :

  • une connexion par partitionnement : une antenne individuelle est connectée à un ensemble d’éléments d’antennes disjoints (se référer à la figure 4) ;
  • une connexion complète : les antennes individuelles sont toutes connectées aux mêmes éléments d’antennes.

A titre d’exemple, pour une station de base 64T64R, si chaque antenne individuelle de la chaîne radio TRX est connectée à 4 AE, alors l’antenne massive MIMO est composée de 64*4 = 256 AE.