Utilisation des ondes millimétriques pour la prochaine génération de services mobiles : scénarios, défis et perspectives

L'incroyable demande de bande passante de données ne montre aucun signe de ralentissement dans un avenir prévisible. Afin de fournir des services multimédias rapides, audio, vidéo et en temps réel de haute qualité, une large bande passante est nécessaire. Alors que le spectre millimétrique offre une excellente opportunité d'augmenter la capacité, on sait peu de choses sur les caractéristiques de propagation des canaux pour les réseaux d'accès mobiles dans des environnements urbains internes denses à ces fréquences porteuses. Différentes approches de sondage de canal, en particulier des systèmes d'impulsions RF, un analyseur de réseau vectoriel, un système à spectre étalé et des systèmes basés sur OFDM sont utilisées. En raison des limitations, le système à spectre étalé, qui est un système de sondage de canal basé sur le temps, est largement utilisé car il offre une résolution de bande passante meilleure et plus élevée pour prendre en charge les trajets multiples. De nombreux systèmes de sondage à canaux à spectre étalé développés à ce jour sont limités à une bande passante inférieure à 1 GHz. Ces systèmes ont été mis en œuvre sans étude préalable ni estimation de performances en considérant des scénarios réalistes, tant sur la bande passante utilisable que sur les paramètres des antennes utilisées. De plus, ces sondeurs sont volumineux et lourds, ce qui limite leur flexibilité et leur mobilité. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier et de concevoir un sondeur de canal qui surmonte les limitations énumérées. L'objectif principal de cette recherche est d'explorer la faisabilité d'un système de sondeur à canaux intégré compact capable de résoudre des trajets multiples dans des canaux à ondes millimétriques, crucial pour permettre diverses applications envisagées dans les systèmes 5G et futurs. Néanmoins, il convient de mentionner que les antennes sont les composants clés de tout système de communication sans fil. Des études paramétriques sont réalisées et mises en œuvre en bande Ka sur la base du logiciel Feko, un outil de pointe pour comprendre et optimi-ser le placement et le couplage des antennes dans un environnement de propagation réaliste. Les paramètres de canal extraits pour différents scénarios, y compris intérieur-intérieur et extérieur-intérieur, sont utilisés pour alimenter un logiciel de conception de système (ADS : Advanced Design System) de manière co-simulée pour estimer les performances en termes d'efficacité de bande passante en présence de différentes antennes (gain et placement). Par conséquent, notre recherche se concentre sur les défis de la réalisation d'un générateur de code pseudo aléatoire (PN) et de la fabrication d'une antenne cornet corruguée, physiquement petite et rayonnant des faisceaux relativement étroits, adaptée aux émetteurs-récepteurs miniaturisés. Pour atteindre nos objectifs, nous avons développé une méthode pour réduire la profondeur de l'antenne cornet en utilisant des lentilles.

Abstract

The incredible demand for data bandwidth shows no signs of slowing down for the foresee-able future. In order to provide fast multimedia, high quality audio, video and real-time services, a large amount of bandwidth is required. While millimeter wave spectrum o˙ers an excellent opportunity to increase capacity, little is known about the channel propagation characteristics for mobile access networks in internal, urban environments dense at these carrier frequencies. Di˙erent approaches of channel sounding, in particular RF pulse systems, vector network an-alyzer, spread spectrum system and OFDM based systems are used. Due to the limitations, the spread spectrum system, which is a time-based channel sounding system, is extensively used because it o˙ers better and higher bandwidth resolution to accommodate multi paths. Many spread spectrum channel sounding systems developed to date are limited to a band-width of less than 1 GHz. These systems have been implemented without a prior study or estimation of performance by considering realistic scenarios, on the usable bandwidth as well as the parameters of the antennas used. Also, these sounders are large and heavy, which limits their flexibility and mobility. Therefore, it is mandatory to study and design channel sounder which overcome the enumerated limitations. The primary objective of this research is to explore feasibility of a compact integrated channel sounder systems capable of resolving multi paths in millimeter wave channels, crucial to enable various applications envisioned in 5G and future systems. Nonetheless, it is worth mentioning that antennas are the key components of any wireless communication system. Parametric studies are carried out and implemented in Ka-band based on Feko software a leading tool for understanding and optimizing antenna placement and coupling in realistic propagation environment. The extracted channel parameters for di˙erent scenarios including indoor-indoor and outdoor-indoor are used to feed a system-design software (ADS: Advanced Design System) in co-simulation way to estimate the performances in term of bandwidth eÿciency in presence of di˙erent antennas gains and placements. Therefore, our research focuses on the challenges of realizing a pseudo noise (PN) code generator and the fabrication of a corrugated horn antenna, physically small and radiating relatively narrow beams, suitable for miniaturized transceivers.To achieve our objectives, we developed a method for reducing the depth of the horn antenna by using lenses. We then design and investigate two types of integrated lens antennas (ILA), namely the half Maxwell fish-eye (HMFE) and the step lenses.