Massive MIMO, une approche angulaire pour les futurs systèmes multi-utilisateurs aux longueurs d’onde millimétriques

Massive MIMO, an angular approach for future multi-user systems at millimetric wavelenghts

• Auteur / Autrice : Antoine Rozé
• Direction : Jean-François Hélard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et télécommunications
• Date : Soutenance le 17/10/2016
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Fondation : Institut de Recherche Technologique b<>com
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes / IETR
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Cances
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Hélard, Jean-Pierre Cances, Michel Terré, Geneviève Baudouin, José Radzik, Matthieu Crussière, Charlotte Langlais
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Terré, Geneviève Baudouin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Systèmes à entrées multiples et à sorties multiples

Antennes-réseaux

Mots clés libres

Systèmes multi-utilisateurs

MIMO systems

Massive MIMO

Precoding

Direction of arrival

Antenna array

Power allocation

Leakage

Hybrid beamforming

Résumé

La densification des réseaux allant de pair avec le déploiement de petites cellules, les systèmes Massive MIMO disposent de caractéristiques prometteuses pour accroître la capacité des réseaux au travers des techniques de formation de faisceau, appelées beamforming. Les transmissions aux longueurs d’onde millimétriques (mmWave) sont, quant à elle, très convoitées car, non seulement les bandes passantes exploitables sont extrêmement larges, mais le canal de propagation est principalement Line-of-Sight (LOS), ce qui correspond à la visibilité directe entre le terminal et la station de base. L’attrait que peut avoir un système multi-utilisateurs Massive MIMO à de telles fréquences provient, en partie, du faible encombrement du réseau d’antennes, mais aussi du fort gain de beamforming dont il permet de bénéficier afin de contrecarrer les fortes pertes en espace libre que subissent les signaux à de telles longueurs d’onde. Dans un premier temps nous montrons comment l’augmentation de la fréquence porteuse impacte les performances de deux précodeurs connus. Au travers d’une modélisation déterministe et géométrique du canal, on simule un scénario Outdoor à faible mobilité et à forte densité de population en mettant en avant l’influence du trajet direct et des trajets réfléchis sur les performances. Plus précisément on prouve qu’en configuration purement LOS, le précodeur Zero-Forcing est beaucoup plus sensible à la structure du réseau d’antennes, et à la position des utilisateurs, que le Conjugate Beamforming (aussi connu sous le nom de retournement temporel). On introduit alors un précodeur basé uniquement sur la position angulaire des utilisateurs dans la cellule en référence à la station de base, puis l’on compare ses performances à celles des deux autres. La robustesse d’une telle implémentation à une erreur d’estimation d’angles est illustrée pour un scénario spécifique afin de souligner la pertinence des solutions angulaires, une direction étant plus facile à estimer et son évolution dans le temps plus prévisible.On décrit dans un second temps comment la connaissance des positions angulaires des utilisateurs permet d’accroître la capacité de la cellule par le biais d’un procédé d’allocation de puissance reposant sur une évaluation de l’interférence que chaque faisceau génère sur les autres. On prouve à l’aide de simulations que l’obtention de cette interférence, même exprimée sous une forme très simplifiée, permet d’améliorer très nettement la capacité totale de la cellule. Enfin, nous introduisons les systèmes Hybrides Numériques et Analogiques ayant récemment été proposés afin de permettre à une station de base de conserver un large nombre d’antennes, nécessaire à l’obtention d’un fort gain de beamforming, tout en réduisant le nombre de chaînes Radiofréquences (RF). On commence par décrire une solution permettant à un terminal de former un faisceau dont la direction s’adapte à sa propre inclinaison, en temps réel, pour toujours viser la station de base. On compare ensuite les performances de tels récepteurs, associés à des stations de base Massive MIMO, avec celles d’une solution hybride connue, le nombre de chaînes RF des deux systèmes étant identiques. Principalement, la flexibilité et la capacité d’évolution de ces systèmes est mise en avant, ces deux atouts étant particulièrement pertinents pour de nombreux environnements à forte densité de population.

As wireless communication networks are driven toward densification with small cell deployments, massive MIMO technology shows great promises to boost capacity through beamforming techniques. It is also well known that millimeter-Wave systems are going to be an important part of future dense network solutions because, not only do they offer high bandwidth, but channel is mostly Line-of-Sight (LOS). The attractiveness of using a multi-user Massive MIMO system at these frequencies comes partly from the reduced size of a many antenna base station, but also from the high beamforming gains they provide, which is highly suited to combat the high path losses experienced at such small wavelengths. First we show how raising the carrier frequency impacts the performance of some linear precoders widely used in Massive MIMO systems. By means of a geometrical deterministic channel model, we simulate a dense outdoor scenario and highlight the influence of the direct and multi-paths components. More importantly we prove that, in a Line-of-Sight (LOS) configuration, the discriminating skill of the well-known Zero Forcing precoder is much more sensitive to the antenna array structure and the user location than the Conjugate Beamforming precoder, also known as Time-Reversal. A precoder based on the knowledge of the angular position of all users is then introduced and compared to the other precoders based on channel response knowledge. Its robustness against angle estimation error is illustrated for a specific scenario and serves to back up the importance such a solution represents for future dense 5G networks, angular information being easier to estimate, and more so to keep track of.After that, we show how the knowledge of Directions of Arrival can be used to increase the sum capacity of a multi-user transmission through leakage based power allocation. This allocation uses an estimation of inter-user interference, referred to as Leakage, and we show through simulations how this factor, even under its most simplified form, improves realistic transmissions. Moreover this solution is not iterative and is extremely easy to implement which makes it particularly well suited for high deployment scenarios.Finally we introduce the Hybrid Analog and Digital Beamforming systems that have recently emerged to retain a high number of antennas without as many Radio Frequency (RF) chains, in order to keep high beamforming gains while lowering the complexity of conceiving many antenna base stations. We first describe a user equipment solution allowing the system to form a beam that adapts to its own movement so that it always focuses its energy toward the base station, using an on-board analog array and an Inertial Measurement Unit. Then we compare the performance of a known Hybrid solution with a fully digital Massive MIMO system, having as many RF chains as the Hybrid system, but serving user equipments with beamforming abilities. Mostly we emphasize how such a system allows for great flexibility and evolution, both traits being invaluable features in many future networks.