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.