Étude des réseaux de la 5éme génération

Les objectifs de la 5G

   La 5G sert à plusieurs objectifs tels que le volume de données échangées sur les réseaux mobiles a presque doublé et que dans 5 ans il aura été multiplié par 10 par rapport à l’utilisation actuelle. De nouvelles solutions doivent donc être trouvées afin de pouvoir répondre à cette demande et d’optimiser l’utilisation des ressources. L’augmentation du nombre d’applications, leur diversification ainsi que l’amélioration de la qualité des réseaux mobiles ont conduit à l’augmentation de la demande, à l’apparition de nouveaux usages (objets connectés, drones, etc.…) et de nouveaux utilisateurs.5G a d’autres objectifs comme il se présente dans la figure I.1 [1] elle sert à augmenter le nombre d’appareils connectés, diminuer la latence, augmenter le débit et le volume de données etc. L’arrivée de la 5G pourrait avoir un impact important non seulement dans la sphère technique, mais aussi dans le développement économique et social des différents pays ; la 5G vise de très nombreux secteurs et devrait participer, par la numérisation de la société, à la croissance économique des Etats.

L’architecture de la 5G

   L’architecture 5G est principalement composée de trois couches horizontales, à savoir «l’activation de service innovante», «la plate-forme d’activation» et «la radio hyperconnectée», que nous décrivons dans cette section en détail.
Le service innovant Le service innovant est la couche supérieure qui inclut des services 5G innovants. Basé sur des capacités d’infrastructure 5G différenciées, les services 5G seront en mesure d’offrir une expérience utilisateur hautement fiable et immersive. En particulier, la diffusion de vidéo en ultra-haute définition finira par devenir des services dominants offrant des expériences utilisateur virtuelles telles que la diffusion de vidéo multi-vue et même les hologrammes. De plus, la bande passante suffisante et la grande fiabilité offertes par la 5G faciliteront l’émergence de services de contrôle de robots à distance et de services d’Internet des objets (IoT) essentiels à la mission.
La plate-forme de validation La plate-forme est la couche intermédiaire qui crée des valeurs significatives et centrées sur le service pour prendre en charge la couche supérieure de «service innovant» en transformant correctement les éléments mécaniques et disjoints. Réseaux sous-jacents à une infrastructure orientée services. Il utilise deux activateurs clés pour effectuer cette tâche. L’un est la virtualisation des fonctions réseau (NFV) et le réseau SDN (Software Defined Networking), ce qui rend le réseau beaucoup plus dynamique,agile, flexible. L’autre est un ensemble bien défini d’interfaces de programmation d’application (API), qui offre la possibilité d’automatiser le réseau en interne pour un réseau automatisé.
La radio Hyper-Connecté La radio Hyper-Connecté est la couche inférieure qui peut fournir une quantité massive de données à la couche “Plate forme d’activation” d’une manière très efficace et transparente. En raison de l’énorme quantité de données de transmission et des exigences de latence strictes, cette couche inclura non seulement les technologies de réseau radio existantes (à la fois tellesquelles et évoluées), mais aussi de nouvelles technologies de réseau radio. Il est nécessaire de développer une gamme de technologies capable d’améliorer le fractionnement des cellules, l’efficacité spectrale, la bande passante de la fréquence du canal et l’efficacité du fonctionnement du réseau.Alors que les réseaux d’accès radio (RAN) 3G et 4G ont été construits comme un réseau autonome, le 5G RAN sera déployé en intégrant le LTE-Advanced (LTE-A) existant, ses technologies d’évolution et les nouvelles technologies d’accès radio (RAT). En raison de leur nature hétérogène, il est important de construire une infrastructure où différentes technologiesd’accès radio sont intégrées de manière transparente. 3GPP a développé des standards pour l’évolution de LTE-A dans la version 13 et prévoit commencer à standardiser la nouvelle RAT dans la version 14 à partir de 2016. Il est donc important de développer continuellement les deux technologies pour réaliser 5G RAN.

Antennes MIMO Beamforming

   La recherche dans le domaine des futurs réseaux de radiocommunication est en pleine expansion. Le développement de nouveaux systèmes a pour objectif de transmission d’information numérique a des débit toujours plus élevés et pour une qualité de service de plus en plus exigeante avec une latence plus faible. Dans ce contexte, les systèmes de transmission de type MIMO (Multiple Input Multiple Output), comportant plusieurs antennes à l’émission et à la réception, sont considérés comme étant des techniques incontournables, D’une part, l’efficacité spectrale potentielle d’un tel système est bien plus élevée que celle d’un système mono-antenne. En effet, la capacité d’un système MIMO augmente linéairement avec le nombre d’antenne à l’émission. D’autre part, grâce à une meilleure exploitation de la diversité, ce système est plus robuste aux évanouissements du canal de transmission améliorant ainsi la qualité de la transmission. Parmi ces type il y’a le MIMO Beamforming qui est une technologie de traitement de signal qui est utilisée pour diriger la réception ou la transmission (l’énergie du signal) d’un réseau dans une direction angulaire choisie. Classiquement, la formation de faisceau fonctionne en réglant les poids des éléments d’antenne de sorte que le faisceau soit concentré sur un signal provenant d’une direction particulière tout en s’efforçant d’ignorer les interférences provenant d’autres directions.

Codes spatio-temporels

   La capacité d’un système MIMO  augmente considérablement lorsqu’on aplusieurs antennes de transmission nt et de réception nr [11]. Une méthode pour atteindre la capacité d’un système MIMO est d’utiliser le codage spatio-temporel. Ce codage consiste à introduire une corrélation, dans le temps et dans l’espace, entre les  signaux à transmettre. Ilpeut exploiter la diversité d’émission du canal MIMO ou maximiser l’information mutuelleentre l’entrée et la sortie du canal. Il améliore ainsi la qualité de la transmission en offrant un débit potentiellement élevé selon la structure retenue.Les codes spatio-temporels sont des schémas de diversité d’émission en boucle ouverte. Le récepteur spatio-temporel essaie de supprimer l’interférence et de décoder le sous-flux reçu de chaque branche émettrice. Il y a beaucoup d’approches pour réaliser la structure dans le code transmis. La méthode la plus simple consiste à mettre en correspondance de manière linéaire des informations à travers les éléments d’antennes d’émission𝑛𝑇 et à transmettre ces symboles d’une manière orthogonale, comme cela est fait dans les codes en blocs spatio-temporels. L’orthogonalité peut également être introduite dans le code en utilisant le multiplexage fréquentiel, le multiplexage temporel, ou en utilisant des séquences d’étalement orthogonales pour différentes antennes.

Etude de système MIMO Beamforming

   La formation de faisceau est une technique utilisée dans les nouvelles générations de communication mobile, c’est un ensemble d’antennes intelligentes appliquées à l’émission et à la réception, son but est d’améliorer la qualité et le débit. Les antennes à l’émission et à la réception sont pondérées par les coefficients 𝑤𝑡et 𝑤𝑟 respectivement. Le signal d’entré X(t) est transmis par le système d’adaptation MIMO combiné avec 𝑀𝑡 antennes à l’émission et 𝑀𝑟 antennes à la réception. Notons que le signal après modulation QAM est 𝑍(𝑡) et le signal à la réception est 𝑦(𝑡)alors que 𝑏(𝑡) représente le bruit blanc gaussien additif (AWGN) au niveau du récepteur de moyenne égale à 0 et de puissance égale à 𝜎𝑛 2. Les antennes intelligentes utilisées pour le système MIMO sont basées sur l’algorithme des moindres carrés. Le vecteur de pondération initial de transmission est employé pour calculer alternativement les pondérations optimales à la réception et à l’émission 𝑊𝑅 𝑜𝑝𝑡 et 𝑊𝑇 𝑜𝑝𝑡 . La mise à jour de 𝑊𝑇 𝑜𝑝𝑡 est utilisée dans l’émetteur comme un vecteur de pondération fixe et la mise à jour de 𝑊𝑅 𝑜𝑝𝑡 est utilisée dans le récepteur pour détecter le signal reçu 𝑋(𝑡) au niveau du récepteur. D’autre part, le vecteur de pondération à l’émission est calculé sur la base de la mise à jour du vecteur de pondération à la réception 𝑊𝑅 𝑜𝑝𝑡 , pour diriger le lobe principal de l’émetteur vers la direction du récepteur .Aussi, les vecteurs de pondération à la réception sont calculés par l’algorithme LMS itératif pour surmonter les interférences, c’est-à-dire minimiser l’erreur quadratique entre le signal de référence et le signal de sortie obtenu à partir du signal reçu 𝑋(𝑡). Le signal reçu sera ensuite démodulé en QAM pour détecter finalement le signal désiré.

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre I:Etude des réseaux de la 5éme Génération
I. 1Introduction
I. 2 Les objectifs de la 5G
I. 3 Technologie 5G
I. 4 Applications de 5G
I. 5L’architecture de la 5G
I.5.1 Le service innovant
I.5 .2La plate-forme de validation
I.5 .3 La radio Hyper-Connecté
I. 6La couche physique
I. 6 .1La modulation OFDM
I. 6 .2 La modulation FBMC
I. 6 .3Multiplexage NOMA
I. 6 .4 Beamforming
I. 6 .5 Massive MIMO (Multiple Inputs – Multiple Outputs)
I.6.6Full Duplex
I. 7 Comparaisons entre les performances de la 4G et de la 5G
I. 8Les défis de la 5g
I. 8.1 Défis technologiques
I. 8.1 .1 Interférence Inter-cellule
I. 8.1 .2 Contrôle d’accès moyen efficace
I.8.1 .3 Gestion du trafic
I. 8 .2 Défis communs
I. 8 .2.1 Services multiples
I. 8 .2.2 Infrastructure
I. 8 .2.3 Communication et Navigation
I. 8 .2.4 Sécurité et confidentialité
I. 8 .2.5 Législation des lois informatiques
I. 9 La 5G Au niveau mondial
I. 9.2Japon
I. 9. 3 Chine
I. 9.4 Corée
I. 9 .5La 5g Au niveau européen
I. 10Les avantages et les inconvénients de la 5G
I. 10.1 Avantages
I. 10.2 Inconvénients
I. 11Conclusion
Chapitre II: La modulation OQAM-FBMC
II .1 Introduction
II.2 Présentation de l’OFDM
II.2.1 Principe de la modulation
II.2.2 L’orthogonalité
II.2.3 Principe de la démodulation
II.2.4 Intervalle de garde
II.3 La structure de la FBMC/OQAM
II.3.1 Principe de FBMC-OQAM
II.3 .2 Blocs pré/post-traitements OQAM
II.3.3 Synthèse et analyse des blocs de banques de filtres
II.3.2.1 Banque de filtres d’analyse
II.3.3 Structure polyphasée
II.3.4Conception du filtre prototype
II.4L’émetteur OQAM-FBMC
II.5Le récepteur OQAM-FBMC
II.6 Comparaison entre OFDM et OQAM FBMC
II.7Conclusion
Chapitre III: Les Antennes MIMO Beamforming
III.1 Introduction
III.2 Présentation des systèmes multi antennes
III.3 Types d’antennes MIMO
III.3 .1 Codes spatio-temporels
III.3 .2 .Multiplexage spatial
III.3. 3 Beamforming
III.4- MIMO Beamforming
III.4.1 Antennes intelligentes
III.4.1.1 Structure d’une antenne intelligente
III.4.2 Types des antennes intelligentes
III.4.2 .1 Antennes à lobe commuté (SL)
III.4.2 .2 Réseau adaptatif (AA)
III.4.3 Les algorithmes adaptatifs
III.4.3 .1LMS: algorithme du gradient stochastique
III.4.3 .4- Algorithme à module constant (CMA- Constant modulusalgorithm)
III.4.4 Antennes MIMO Beamforming
III.4.4 .1Concept de base
III.4.4 .2 Types d’antennes MIMO Beamforming
III.4.4 .2.1 Antennes MIMO à maximisation du rapport signal sur bruit
III.4.4 .3Antennes MIMO basé sur la méthode des moindres carrées
Conclusion
Chapitre IV: Résultats de simulation
IV. 1 Introduction
IV. 2 Etude de système FBMC-OQAM
IV. 3 Le principe de la modulation FBMC-OQAM
IV. 4Paramètres de simulations utilisées
IV.4.1 Influence de filtre prototype dans FBMC-OQAM
IV.4.2 Influence du nombre de sous porteusessur les performances du système
IV. 4.3 Influence de l’intervalle de garde
IV. 5 Etude de systèmeMIMOBeamforming
IV. 6 Paramètres de simulation
IV. 6.1 Influence de l’ordre de diversité
IV. 6.2 Influence de l’ordre de modulation
IV. 7 MIMO Beamforming associé à la modulation FBMC-OQAM
IV. 8 Principe de l’association MIMO Beamforming et FBMC-OQAM
IV. 8 .1 Influence de l’ordre du filtre prototype (K) sur les performances du système beamforming-FBMC-OQAM
IV. 8 .2 Influence du nombre de sous porteuse(FFT) sur les performances du système beamforming-FBMC-OQAM
IV. 8 .3 Influence de l’intervalle de garde
IV. 8 .4 Influence de l’ordre de diversitésur les performances du système
IV. 8 .Comparaison entre le MIMO-FBMC-OQAM et FBMC-OQAM seul
IV. 8 .5 Comparaison entre La méthode des moindres carrés et la méthode de maximisation de SNR
IV. 9 Conclusion
Conclusion général

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