On the design and performance analysis of mmWave-enabled next generation of wireless networks

Résumé

La prochaine génération de systèmes de communication (5G) à ondes millimétriques est en train de voir le jour. Comme pour toute nouvelle technologie, il y a inévitablement des problèmes de démarrage et des obstacles à surmonter avant de trouver sa véritable valeur commerciale. La technologie des ondes millimétriques a eu sa part de cynisme ces dernières années, avec des questions sur son efficacité pour la transmission sur de longues distances, sa capacité à traverser les murs, et même si la pluie ou la main d’un utilisateur pouvait bloquer le signal. Ces questions sont valables, mais la plupart d’entre elles ont été abordées avec des solutions innovantes ces dernières années. En outre, les ondes millimétriques et la 5G sont souvent utilisées comme synonymes, mais il existe des différences essentielles entre les deux. Le spectre des ondes millimétriques n’est qu’une partie de la bande de fréquences disponible pour les futurs réseaux 5G. Les fréquences micro-ondes typiques ou le spectre inférieur à sous-6GHz feront également partie de la norme. Et la coexistence de ces deux spectres offrira, entre autres, une meilleure couverture et de meilleurs débits de données aux clients. Puisque la technologie des ondes millimétriques est presque prête à faire ses débuts publics sur la scène du monde technologique commercial, le thème principal de notre projet de recherche est centré sur la conception et l’analyse des performances des principaux outils de la 5G, tels que les communications à ondes millimétriques, les systèmes massifs à entrées multiples et sorties multiples, et les réseaux hétérogènes. Plus spécifiquement, cette thèse se concentre sur (i) la coexistence des ondes millimétriques et des fréquences inférieures à sous-6 GHz dans un réseau hétérogène et (ii) les systèmes de communication à large bande et à bande ultra-large rendus possibles par les ondes millimétriques. Dans ce contexte, le deuxième chapitre de cette thèse présente une analyse très détaillée et un modèle de simulation d’un réseau hétérogène à deux-tiers en semi duplex utilisant différentes bandes de fréquences (c’est à-dire sous-6GHz et ondes millimétriques). Les outils de la géométrie stochastique sont utilisés pour modéliser un environnement où les équipements des utilisateurs ont les moyens de choisir différentes stations de base pour les transmissions en liaison montante et descendante, appelées accès sans fil découplé. Les principales mesures de performance, telles que la probabilité d’association des équipements des utilisateurs, les distributions de distance entre les équipements des utilisateurs et leurs stations de base marquées, et l’efficacité spectrale sont analysées et évaluées pour les différents scénarios de déploiement pragmatiques. Le troisième chapitre de cette thèse présente une analyse des performances d’un réseau hétérogène à deux tiers en duplex intégral avec accès découplé utilisant différentes bandes de fréquences (c’est-à-dire sous-6GHz et ondes millimétriques). La nouveauté du modèle analytique dérivé est qu’il prend en compte des puissances d’émission variables, différents coefficients d’affaiblissement sur le trajet pour différents niveaux et tient compte des interférences dans les réseaux à ondes millimétriques. C’est le premier modèle analytique qui encapsule de manière exhaustive les caractéristiques des réseaux denses jusqu’aux réseaux ultra-denses. Par conséquent, la nature exhaustive du modèle analytique proposé peut nous aider à comprendre les limites de performance d’un réseau pour divers scénarios de déploiement. Les quatrième et cinquième chapitres de cette thèse se concentrent sur la question de déviation des faisceaux (Beam Squinting) dans les systèmes de communication à large bande et à ultra large bande à entrées multiples et sorties multiples massives. La principale attraction de la bande des ondes millimétriques est sa grande largeur de bande disponible. Par conséquent, les systèmes de communication à large bande et à bande ultra-large deviendront bientôt une réalité inévitable. Bien que les systèmes de communication à large bande et à bande ultra large aient le potentiel d’augmenter considérablement la capacité réalisable, cela soulève également un nouveau problème appelé la déviation des faisceaux qui limite la capacité réalisable. Jusqu’à récemment, la déviation des faisceaux n’avait pas pris suffisamment d’importance pour devenir le problème majeur de la communauté des chercheurs en communications mobiles. Cette négligence délibérée s’explique par le fait que, jusqu’à présent, presque tous les systèmes de communication mobile fonctionnent sur des signaux à bande étroite, ce qui, par nature, rend le problème de déviation des faisceaux négligeable. Dans ce chapitre, une nouvelle architecture d’émetteur-récepteur pour un système de communication à bande ultra-large à entrées multiples et sorties multiples est proposée afin d’atténuer les effets de la déviation des faisceaux. L’avantage de la conception proposée est qu’elle ne repose sur aucune compensation dans le domaine numérique. Elle convient donc aux applications à puissance de calcul limitée ou sensibles aux délais qui n’ont pas les moyens de calculer de grandes matrices de compensation dans le domaine numérique. De plus, le cinquième chapitre de cette thèse souligne l’utilisation potentielle d’hyper-surfaces qui peuvent être exploitées pour atténuer le problème de déviation des faisceaux dans un système de communication à bande ultra-large utilisant des ondes millimétriques.

Date	29 oct. 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Georges Kaddoum (Directeur(-trice)) & Naïm Batani (Codirecteur(-trice))