Le système OQAM-FBMC

Objectif de la 5G :

  La 5G est l’Internet du futur. Cette technologie comprendra un réseau d’accès radio et un cœur de réseau convergent combinant accès fixe et accès mobile. Il s‟agit notamment d‟augmenter les débits et la capacité des réseaux, mais aussi de préparer l‟évènement de « l’internet des objets ».Parmi les principaux objectifs :
 De plus gros forfaits data : le volume de données devra être 1000 fois plus élève
 Moins d‟antennes : le nombre de terminaux pouvant être connectés par antenne devra être 100 fois supérieur, mais le nombre d‟antennes dépend surtout des fréquences utilisées.
 Les meilleurs débits (1 Gb par seconde)
 Un temps de « latence » plus court donne l‟impression que le réseau est très réactif.
 Plus de batterie, moins de consommation.

La 5G dans le monde

   La course mondiale est déjà lancée entre pays pour être le premier à mettre en place des expérimentations 5G à grande échelle, puis à lancer des services commerciaux, quand bien même ceux-ci seraient basés sur des pré-standards de spécifications techniques. Ainsi plusieurs pays, travaillent et essaient de s‟accorder entre eux afin de pousser à l‟international les spécifications techniques qui satisferont leurs besoins et rentabiliseront au mieux les investissements consentis, créant par exemple beaucoup d‟agitation au sujet des bandes de fréquences les plus adéquates à considérer pour la 5G.
Exemples aux Corée, Japon, Chine, l‟Europe et USA :
Japon :Le japon veut démontrer son leadership sur la 5G en déployant le premier réseau commercial 5G à être conforme aux spécifications techniques internationales pour les jeux olympiques d‟été de Tokyo en 2020.
Chine : Tout comme au Japon, la Chine entend montrer son leadership avec des premiers déploiements commerciaux dès 2020. Les premiers tests seront faits avant 2020 dans la bande 3400 – 3600MHz. Les bandes 3300 – 3400 MHz, 4400 – 4500 MHz et 4800 – 4990 MHz sont aussi considérées et à l‟étude. Pour de plus hauts débits, les bandes autour de 25 GHz et 40 GHz sont envisagées.
Corée : La Corée quant à elle envisage un déploiement pré-commercial de la 5G durant les jeux olympiques d‟hiver de P‟yŏngch‟ang 2018.Plusieurs expérimentations sont en cours de préparation pour des démonstrations grandeur nature dans plusieurs villes coréennes dont P‟yŏngch‟ang et Seoul. Les trois opérateurs mobiles nationaux espèrent des fréquences dans la bande 26,5 – 29,5 GHz.
L’Europe : La Commission européenne donne à tous les pays de l’Union un certain nombre d‟objectifs chiffrés et ambitieux. Ainsi, un objectif phare pour la 5G serait d’avoir en 2020 au moins une grande ville dans chaque pays d’Europe équipée de cette dernière génération mobile, avec une couverture, à l‟horizon 2025, de tous les centres urbains, les autoroutes et les voies ferrées à grande vitesse. Il s‟agit là de répondre aux annonces de la Corée du Sud et du Japon qui promettent de faire une démonstration à grande échelle de la 5G respectivement aux JO d’hiver en 2018 à P‟yŏngch‟ang et d’été en 2020 à Tokyo
Etats-Unis d’Amérique : La 5G est considérée comme étant une opportunité sans précédent pour la croissance économique avec de gros impacts sur l‟éducation, l‟emploi, les transports, etc.… Ces futurs réseaux nécessitent, selon la FCC (Federal Communications Commission),l‟agence de régulation américaine) de se pencher sur les 3 éléments suivants : le spectre, l‟infrastructure et le réseau de raccordement (backhaul).

Le système OFDM :

  L‟OFDM est une technique de transmission de donnée analogique ainsi qu‟une solution efficace pour lutter contre les effets des trajets multiples. Cette technique divise la bande du système en un grand nombre de porteuse individuelles appelés sous-porteuse, ces dernières sont dites orthogonale car pour une transmission idéale, un symbole transmis sur une sous porteuse peut être démodulé sans interférence de la part des sous porteuse adjacentes.D‟un point de vue implémentation numérique, les systèmes OFDM transmettent les données par blocs : le flux original de donnée de débit R est multiplexé en N flux parallèles de débit R/N. Il s‟agit bien d‟un multiplexage fréquentiel puisque les données sont transmises sur N canaux différents. Afin d‟effectuer cette transmission, au lieu de transmettre les données en série comme le font les systèmes mono-porteuse, les systèmes OFDM transmettent les données par bloc en introduisant aux informations utiles de la redondance (appelée intervalle de garde qu‟il faut être plus long que le délai maximal du canal multi-trajets), dont la structure cyclique permet, à l‟aide de transformées de Fourier, une inversion simple (scalaire) du canal propagation.

Conception de filtre prototype :

   L’étude des filtres prototypes présente un intérêt particulier pour FBMC / OQAM parce qu’il représente un degré important de liberté. De plus, Les filtres prototypes sont des conceptions de filtres électroniques qui sont utilisés comme modèle pour produire une conception de filtre modifiée pour une application particulière. Afin d’éviter un problème d’ISI, le canal doit satisfaire au critère de Nyquist lorsqu’il a un cas idéal. Maintenant, si la période de symbole est 𝑇𝑠 et que le taux de symbole est 𝐹𝑠 = 1 /𝑇𝑠, la réponse en fréquence du canal doit être symétrique par rapport à la fréquence. En conséquence, en FBMC, le filtre prototype pour les bancs de filtres de synthèse et d’analyse doit être à demi-Nyquist, ce qui signifie que le carré de sa réponse en fréquence doit satisfaire au critère de Nyquist. Les filtres doivent fonctionner à de nombreuses fréquences, impédances et largeurs de bande différentes. L’utilité d’un filtre prototype provient de la propriété que tous ces autres filtres peuvent en être dérivés en appliquant un facteur d’échelle aux composants du prototype. La conception du filtre ne doit donc être réalisée qu’une seule fois. Parmi les filtres prototype on a le filtre PHYDYAS.
 Filtre prototype PHYDYAS : Ce filtre prototype a été introduit par Bellanger. Le filtre prototype est conçu en utilisant la technique d’échantillonnage de fréquence. L’idée de cette technique est de déterminer la réponse en fréquence G (f) via la formule d‟interpolation.

Structure polyphasé :

  Les banque de filtres de synthèse (SFB) et les banque de filtres d’analyse (AFB) du système sans fil FBMC / OQAM introduisent une complexité de calcul élevée, car elles sont effectuées à un taux d’échantillonnage élevé entraînant une énorme quantité de calculs inutiles. Néanmoins, la complexité de calcul peut être réduite en exploitant des représentations polyphasées de SFB et AFB avec des opérations IFFT / FFT. La polyphasé peut offrir des simplifications drastiques, car les opérations de filtrage sont effectuées à un taux d’échantillonnage inférieur et évitent des calculs inutiles. Nous pouvons redessiner le bloc SFB du système sans fil FBMC / OQAM . Ainsi, les bancs de filtres d’analyse sont constitués d‟une chaîne de retard, des souséchantillonneurs par M / 2, de l’analyse du filtrage polyphasé Bq (z), de la FFT et des 𝐵𝑘 *multiplicateurs.

Comparaison entre l’OFDM et l’OQAM-FBMC :

  Les techniques multi-porteuses OFDM offrent de nombreux avantages:
 Moyen efficace pour combattre les effets des trajets multiples comme les interférences entre symboles grâce à l‟insertion du préfixe cyclique et l‟évanouissement sélectif du canal suite à la réduction de la bande des sousporteuses.
 Encombrement spectral optimal par rapport aux autres techniques multi-porteuses conventionnelles.
 Implémentation facile et efficace de la modulation et démodulation grâce aux transformées de Fourier rapide.
 Robustesse face aux bruits impulsifs.
 Simplicité de l‟égalisation.
Malgré ses nombreux avantages, la technique OFDM peut être limitée par certains inconvénients.
 L‟insertion de l‟intervalle de garde entraine considérablement une perte de l‟efficacité spectrale
 Le spectre du signal possède des lobes latéraux extrêmement élevé engendrant également une perte de l‟efficacité spectrale et une fuite de puissance entre les sous porteuses. Afin d‟améliorer l‟efficacité spectrale, la technique Multi-porteuses basée sur les bancs de filtre a été proposée.

Type d’antennes MIMO:

  L‟idée de base des systèmes MIMO est très simple puisqu‟il s‟agit d‟associer la diversité spatiale à l‟émission et la diversité spatiale à la réception, il s‟agit en quelque sorte d‟une extension des “antennes intelligentes”. Utilisé dans les systèmes sans fil traditionnels, c‟est-à-dire dans une bande de fréquence donnée, on transmet l„information en utilisant simultanément plusieurs antennes à l„émission et à la réception. En première approximation, le débit transmis dans cette bande de fréquence se trouve multiplié par le nombre d„antennes émettrices. La mise en œuvre concrète soulève par contre des problèmes complexes : en effet, tous les signaux transmis se mélangent, et il faut être capable de séparer les éléments du mélange. On doit alors faire appel, du côté du récepteur, à des méthodes sophistiquées de traitement du signal. L„utilisation de réseaux d„antennes en émission et en réception permet ainsi d„améliorer l„efficacité Spectrale et/ou la fiabilité des transmissions numériques dans un environnement riche en diffuseurs.
On distingue 3 types antennes MIMO :
MIMO a Codes spatio-temporels : Certaines études ont vite démontré que les systèmes MIMO permettaient également des communications bien plus sûres grâce à un codage conjoint de toutes les sous-chaînesd‟information quisont transmises aux antennes. Ce codage spatio-temporel (CST) est une méthode pour atteindre la capacité d’un système MIMO qui augmente considérablement lorsqu’on a plusieurs antennes de transmission et de réception. Un code spatio–temporel est caractérisé par son rendement, son ordre de diversité et son gain de codage. On peut distinguer deux grandes classes de codage espace temps permettant l‟exploitation de la diversité : le codage en treillis et le codage en blocs.
MIMO à Multiplexage spatial : Contrairement aux codes spatio-temporels, le multiplexage spatial est une technique utilisée pour maximiser le débit de transmission de données. Il consiste en un  schéma de multiplexage des signaux où les flux indépendants de données sont transmis sur des canaux parallèles de chaque élément du réseau d‟antenne avec un SNR donné 9 IL consiste à émettre simultanément Nt symboles de modulation sur Nt antennes d’émission sans codage espace-temps de ces symboles. . Ainsi, le multiplexage spatial améliore la capacité du canal avec le nombre d‟antenne en émission et en réception 10 .Le multiplexage spatial peut améliorer considérablement l‟efficacité spectrale 11 , 12 mais le niveau d‟erreurs important dû au manque de diversité d‟antennes peut diminuer le débit de données à la réception particulièrement lorsque les SNR sont bas. Le multiplexage spatial ne fonctionne pas bien dans un environnement à faible SNR car le récepteur à des difficultés à identifier les signaux non corrélés 13 14 .
 La différence avec le multiplexage spatial est que le codage spatio temporel prend un seul flux de données pour le coder dans le temps et dans l‟espace pour produire des flux de symboles pour chaque antenne d‟émission. Le codage spatial est utilisable dans le cas où le canal n‟est pas connu à l‟émission.
 Le codage spatio-temporel ne permet pas d‟augmenter la capacité du canal linéairement avec le nombre d‟antennes utilisées. Cependant, il permet de maximiser la portée et la couverture radio en améliorant la qualité de transmission [15]
MIMO beamforming : L‟objectif de ce système est d‟augmenter le débit, la qualité et l‟ordre de diversité des systèmes de communications. On va détaillée le MIMO Beamforming dans le paragraphe suivant.

Antennes intelligentes :

  L‟intérêt de ce système est la réaction automatique de leur capacité, en temps réel, a des modification du canal de propagation, ils permettent de réduire les niveaux des lobes secondaires existants dans la direction de l‟interférence, tout en maintenant le lobe principale en direction utile habituellement, ces systèmes reposent sur un réseau d‟antennes et sur un processeur récepteur adaptative en temps réel qui attribue des pondération aux éléments, afin d‟optimiser le signal de sortie selon les algorithme de contrôle prédéfinie.[16]Un réseau d‟antennes adaptatives peut donc être défini comme un réseau capable de modifie son diagramme de rayonnement, sa réponse fréquentielle et d‟autre paramètre grâce à une boucle à retour de décision interne pendant le fonctionnement de l‟antenne.
 Avantage des antennes intelligentes : La caractéristique principale des antennes intelligentes est le pouvoir d‟éliminer les interférences pour les applications radio-mobil ce qui donne un meilleur rapport signal sur bruit, donc augmentation de la capacité en nombre utilisateurs.

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Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des acronymes
Introduction générale
Chapitre 1 : Réseaux de la 5ème génération
Introduction
1.2 Objectif de la 5G 
1.3. Architecture de la 5G 
1.3.1 Le service innovant
1.3.2 La plate-forme de validation : (Architecture réseau)
1.3.3 La radio Hyper-Connecté
1.3.3.1. Bandes millimétriques
1.3.3.2. MIMO massive
1.3.3.3. Méthodes duplex
1.4 Caractéristiques et la comparaison entre 4G et 5G 
1.5 Les défis de la 5G
1.6 La 5G dans le monde
Conclusion
Chapitre 2 : Le système OQAM-FBMC
Introduction
2.2 Le système OFDM 
2.3 Structure du système FBMC-OQAM
2.3.1 Le bloc pré/post-traitement OQAM
2.3.1.1 Pré-traitementOQAM
2.3.1.2 Post-traitement OQAM
2.4 Les bancs de filtre
2.4.1 Conception de filtre prototype
2.4.2 Structure polyphasé
2.5 Emetteur OQAM-FBMC
2.6 Le récepteur OQAM-FBMC 
2.7 Comparaison entre l‟OFDM et l‟OQAM-FBMC
Conclusion
Chapitre 3 : MIMO Beamforming
Introduction
3.2. Présentation des systèmes multi-antenne 
3.3. Type antennes MIMO 
3.3.1 MIMO a Codes spatio-temporels
3.3.2. MIMO à Multiplexagespatial
3.3.3. MIMO beamforming
3.4. MIMO Beamforming 
3.4.1. Antenne intelligente
3.4.2. Type d‟antennes intelligentes
3.4.2.1. Systèmes d’antennes à faisceaux commutés SBA
3.4.2.2. Antennes adaptatives
3.4.3. Algorithmes adaptatifs
3.4.4. Antennes MIMO beamforming
3.4.4.1. Concept de base
a) La détermination du vecteur de pondération à la réception
b) Détermination du vecteur de pondération à l‟émission
c) Analyse de la capacité d‟annulation d‟interférences
d) SINR de sortie
3.4.4.3 Antennes MIMO basé sur la méthode des moindres carrés
Conclusion
Chapitre 4 : Résultat de la simulation
Introduction
4.2 Etude de la technique FBMC/OQAM
4.2.1 Description détaillé de la modulation FBMC/OQAM
4.2.2 Les paramètres de la simulation
4.2.3 Les résultats
4.2.3.1 Variation de l‟ordre de filtre prototype
4.2.3.2 Variation de NFFT
4.2.3.3 Variation de l‟intervalle de garde
4.3 Simulation du MIMO beamforming
4.3.1 Paramètres du système
4.3.2 Les resultats
a) Influences du nombre de trajets sur le SNR
b) Influence du nombre d‟antennes sur le SNR
c) L‟influence du nombre de trajets sur les performances du système
d) L‟influence du nombre d‟antennes sur les performances du système
4.4 Association entre FBMC et MIMO beamforming 
4.4.1 Système MIMO-FBMC
4.4.2 Les paramètres de simulation
a) L‟influence de l‟ordre du filtre prototype sur les performances du système
c) L‟influence de l‟intervalle de garde sur les performances du système
d) L‟influence du nombre de trajets sur les performances du système
e) L‟influence du nombre d‟antennes sur les performances du système
4.5 Comparaison entre la méthode LMS et MAX SNR
Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie

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