Le multiplexage spatial à 60 GH en environnement interne : critères de faisabilité et analyse de performance

RESUMÉ Le sujet de ce mémoire s'intéresse aux méthodes qui permettraient de faire du MIMO sur la bande de fréquences millimétriques des 57-64 GHz qui sera utilisée dans les prochaines normes WIFI et dans les futures générations de normes 5G pour le mobile. On traite ce sujet car la technologie MIMO telle qu'on la connaît depuis les années 2000 avec la norme WIFI 802.11n ne permet pas d'être utilisée sur la bande des 57-64 GHz dans les mêmes conditions. En effet, pour bénéficier des avantages du MIMO on doit auparavant effectuer certains traitements sur les signaux. Ce traitement qui est le plus souvent une décomposition en valeurs singulières consiste à pré-traiter les signaux qui seront envoyés à travers les différentes antennes à l'émission et à faire un post-traitement des signaux reçus par les différentes antennes de réception. Les normes WIFI fonctionnent actuellement sur deux bandes de fréquences : 2.4 GHz et 5.8 GHz. Elles effectuent ce traitement numériquement via des DSP programmés pour traiter les signaux avant qu'ils soient envoyés et après avoir été reçus. Cependant, comme tous systèmes numériques programmables, les DSP comme les FPGA sont limités en vitesse de part leur fréquence de fonctionnement. Or la largeur de bande offerte à 60 GHz est près de 70 (et 45) fois supérieure à celle offerte à 2.4 GHz (et à 5.8 GHz). Ce qui nécessite autant de puissance de calcul supplémentaire. Actuellement aucun DSP ou FPGA à faible coût pouvant être embarqué dans un périphérique WIFI grand public à 60 GHz n'existe pour faire le traitement MIMO. On montre qu'en utilisant des réseaux d'antennes planaires avec certaines configurations spatiales, on est capable sans effectuer de traitement complexe du signal, d'obtenir des canaux suffisamment indépendants pour transmettre plusieurs flux de données indépendants. Lorsque les réseaux d'antennes sont suffisamment éloignés, on arrive à atteindre les mêmes performances que celles du système MIMO équivalent utilisant la décomposition en valeurs singulières. De plus, l'ajout d'une technique de traitement du signal au récepteur appelé LMMSE permet de diminuer les contraintes spatiales et d'améliorer les performances sous certaines conditions. Les mesures de la réponse fréquentielle du canal pour un système MIMO utilisant des réseaux d'antennes planaires permettent de valider les hypothèses émises et de manière indirecte certains résultats obtenues par simulation.

Abstract

The topic of this report is about new methods to figure out the difficulties to use MIMO systems on the 57-64 GHz millimeter wave band which will be used in the future telecommunication standards like the next generations of WIFI and mobile standards. We interest to this subject because contrary to the MIMO system used in the current standards, with the millimeter waves the way to use the MIMO is different because of a technical and physical constraints. Indeed, to take advantage of the MIMO much signal processing is required. This processing involves most of the time a linear mathematical transformation by using a decomposition in singular values called SVD. Thank to this linear transformation we can apply a pre-processing to the signals to transmit through several antennas and a post-processing to the received signals from several antennas. Nowadays, the current WIFI standards use either the 2.4 GHz band or the 5.8 Ghz band. The signal processing at these frequencies is done digitally by the software load in the DSP which is responsible amongst other things to compute the SVD. As it is a software which handles the computation, it is necessarily limited by the speed of the DSP. However, the offered bandwidth on the 60 GHz band is about 70 (and 45) times superior to the offered bandwidth at 2.4 Ghz (and 5.8 GHz). That requires a very powerful DSP. But currently, there is no low cost DSP or FPGA that can be embedded in a commercial WIFI device at 60 GHz in order to handle the signal processing. We show that the use of the patch array antennas with certain spatial configurations allows to get pseudo orthogonal channels without using complex signal processing. When the patch array antennas are adequately spaced, we figure out to reach the same performance than the equivalent MIMO system with singular value decomposition. Moreover, the addition of a signal processing to the receiver called LMMSE allows to reduce the required spacial constraints and to improve the performance under certain conditions. The frequency response measurements of the MIMO channel using patch arrays antennas confirm the assumptions and indirectly certain results obtained by simulation.