- MAGOUNAKI Theoni
Thesis
Real-time Performance Evaluation of TDD Reciprocity Calibration for Distributed Antenna Systems
- contexte global du sujet de thèse
L'internet des objets se réfère à l'ensemble des objets connectés à Internet et qui va au-delà des terminaux classiques tels qu'ordinateurs, smartphone, tablettes. Selon un rapport récent publié par Cisco [1], on peut s'attendre à ce que plus de 50 milliards d'objets soient connectés à Internet avant 2020. Pour permettre la connexion de ces milliards d'objets, un réseau étendu à basse puissance (LPWAN) est nécessaire.
Ces caractéristiques nécessaire pour ces objets connectés sont: un équipement électronique très simple, une consommation ultra-basse-puissance, un mode asynchrone, un cycle d'activité le plus faible possible, une sensibilité très élevée et des débits assez faibles.
Pour obtenir ces propriétés, la complexité électronique, la consommation électrique et la majeure partie du traitement du signal doivent être déportés vers la station de base. Avoir un très grand nombre d'antennes à la station de base peut augmenter la sensibilité pour la voie montante en utilisant la technique Massive MIMO. Des solutions de formation de faisceaux en réception pourront également être développées pour différencier des signaux reçu en même temps mais provenant de direction différentes (réduction du nombre de collisions).
Les objets ont un mode de fonctionnement asynchrone, ils ont des périodes très courtes d'activité espacée de grandes périodes d'inactivité et ce mode actif doit économiser autant que possible l'énergie disponible (batterie, pile).
Cependant, un acquittement de réception des informations en mode descendant est exigé, pour indiquer au dispositif de se replacer en mode veille. Pour cet acquittement, la technique du retournement temporel peut mettre à profit le très grand nombre d'antennes de la station de base afin de maximiser le SNR du dispositif.
Plusieurs avantages sont attendus de cette approche:
· Les collisions de données devraient décroitre lorsqu'un grand nombre d'objets est connecté à une station de base contrairement à une solution classique.
· Cette technique peut aussi être utilisée pour sécuriser la transmission de données, puisque le signal sera focalisé seulement dans une zone spécifique.
· Un système pour l'objet de moindre complexité pourrait être utilisé.
Un point important est de considérer que le canal doit être quasi-stationnaire pour la plupart des applications. Les dispositifs en mouvement (voitures, train, etc) pourront être étudié dans une deuxième étape.
L'utilisation du retournement temporel dans un scénario urbain sera une partie importante de ce projet avec notamment des solutions basées sur le principe d'antennes distribuées.
Un des buts de ce doctorat sera d'implémenter sur la plateforme "OpenAirInterface" la technique du retournement temporel appliqué à l'internet des objets [6].
Les différents travaux sur le retournement temporel ont montré un intérêt certain pour les communications numériques avec un canal relativement stable, des travaux en cours tentent de résoudre le problème des communications mobiles. Cette technique s'applique assez naturellement au domaine de l'internet des objets (smart cities, smart building, smart grid, …) [2]. L'association du retournement temporel avec les approches Massive MIMO devrait permettre de tirer parti du très grand nombre d'antennes de la station de base pour "optimiser" la focalisation et ainsi réduire la consommation d'énergie de l'objet [5] et également de réduire les collisions de données [3]. La réciprocité du système global est un élément essentiel pour le retournement temporel et les déséquilibres de la partie RF (émission/réception) devront être pris en compte [4]. Il sera aussi intéressant d'étudier le problème des antennes distribuées, de leur implantation en environnement urbain ainsi que le type d'antenne (omnidirectionnelle, directive, …). Plusieurs standards autour de la problématique de l'internet des objets sont actuellement en cours de normalisation, dans un premier temps on s'attachera au standards LTE-Rel-13 (MTC: Machine Type Communications).
- objectif scientifique de la thèse - verrous à lever
L'objectif de cette thèse est d'implémenter la technique du retournement temporel pour les applications de l'internet des objets bas coût sur la plateforme radio-logicielle OpenAirInterface.
La difficulté majeure réside dans l'objectif d'obtenir un système de communication efficace tant du point de vue communication (SNR) et que de celui du bilan énergétique qui sont à l'heure actuelle plus ou moins antagonistes:
· retournement temporel en environnement urbain: problème de stabilité du canal et de l'implantation des antennes qui en découle.
· réciprocité des systèmes RF
· prise en compte de la problématique FDD pour traiter la réciprocité du canal
· technologie antennaire la plus adaptée au problème pour les fréquences basses du spectre
· capacité d'une station de base à gérer un très grand nombre d'objets avec un maximum d'efficacité (énergie (station de base et objet), SNR, …)
· minimisation des collisions en réception par un traitement d'antenne approprié
· apport de cette technologie sur la sécurisation de la communication
- approche méthodologique-planning
-
Etape 1 :
· Etat de l’art sur le Massive MIMO et le retournement temporel
· Prise en main de la plateforme expressMIMO2 et de l'environnement OpenAirInterface
Etape 2 : Implémentation des spécifications du retournement temporel sur le standard MTC (LTE-Rel-13) dans l'OpenAirInterface (T0+3 à T0+12 mois) et évolution (T0+12 à T0 + 30 mois)
Etape 3 : Tests en environnement réel (T0+12 à T0+30):
· Analyse du canal
· Configuration antennaire optimale: implantation et type d'antennes
Etape 4 : Evolution/évaluation du système (T0+18 à T0+30 mois):
· sécurisation des échanges,
· maximisation du nombre d'objets sur la cellule
· comportement du système avec des objets en mouvement
Etape 5 : Synthèse, rédaction du manuscrit de thèse et préparation de la soutenance (T0+30 à T0+36 mois)
