Solutions de sondage de canal pour les télécommunications 5G

Principes et solution de sondage de canaux pour les télécommunications mobiles 5G


 

  • La prochaine génération de communication mobile 5G devrait être opérationnelle d’ici 2020. Mais pour atteindre ses objectifs ambitieux en terme de performances des investigations approfondies s’imposent.
  • La détermination et la caractérisation des canaux de transmission appropriés y tiennent un rôle important. 
  • Associé au générateur de signaux vectoriels R&S SMW200A et à l’analyseur de spectre et de signaux R&S FSW, l’application logicielle de sondage de canaux R&S TS-5GCS constitue une solution fournissant des mesures de canal stables et reproductibles dans les bandes de hautes fréquences exploitées par la cinquième génération de communication sans fil (5G).

Par Heinz Mellein et Johannes Köbele, Rohde & Schwarz
Personne ne sait avec certitude ce que sera exactement le standard 5G de communication mobile et avec quelles méthodes et technologies ses ambitieux objectifs seront atteints. Cependant, deux éléments clés apparaissent clairement. Premièrement, la 5G exploitera des bandes de fréquences complètement nouvelles dans la gamme de ondes millimétriques (au delà de 30 GHz) pour les applications de communications sans fil commerciales (Fig. 1). Deuxièmement, la bande passante du signal employée sera significativement étendue. Ces nouveaux canaux exigeront des analyses exhaustives pour s’assurer de leur exploitation optimale. Le sondage de canaux est une méthode indispensable à la caractérisation des canaux de radiocommunications cellulaires.

 

Bande de fréquence

Gamme de fréquence

Gamme de longueur d’onde

Ultra haute fréquence (UHF)

300 MHz à 3 GHz

1 dm à 10 dm

Super haute fréquence (SHF)

3 GHz à 30 GHz

1 cm à 10 cm

Extra haute fréquence (EHF)

30 GHz à 300 GHz

1 mm à 10 mm

 

Bande ITU

Gamme de fréquence

X

8 GHz à 12 GHz

Ku

12 GHz à 18 GHz

K

18 GHz à 27 GHz

Ka

27 GHz à 40 GHz

Q

33 GHz à 50 GHz

U

40 GHz à 60 GHz

V

50 GHz à 75 GHz

E

60 GHz à 90 GHz

 Figure 1: Nouveau spectre de fréquences pour les communications mobiles. Source : ITU Recommandation UIT R V.431-7 : Nomenclature des bandes de fréquences et de longueurs d’onde employées en télécommunications.

 

Ce que l’on émet…

…ne correspond pas toujours ce que l’on reçoit. Du moins lorsqu’il s’agit de signaux radio large bande et que la transmission entre le récepteur et l’émetteur est loin d’être parfaite. Dans ces conditions, pour être en mesure d’assurer des communications sans fil de haute performance, il faut connaître les caractéristiques exactes du canal radio. Ces caractéristiques sont obtenues par un sondage de canal. Le sondage de canal est un procédé permettant de déterminer la réponse impulsionnelle d’un canal de transmission, notamment un canal radio cellulaire. Ce concept tire son origine des méthodes de mesure acoustique traditionnelles utilisées pour mesurer des distances, comme par exemple la profondeur de l’eau par la détection d’un signal d’écho [1].

La réponse impulsionnelle du canal (CIR pour Channel Impulse Response) délivre des informations complexes et complètes relatives à l’impact du canal concerné sur un signal radio, telle que l’amplitude et la phase du signal. C’est donc le paramètre idéal pour caractériser le canal. Les échos du signal dus aux réflexions, aux distorsions causées par les effets de diffusion et de diffraction, aux effets d’ombre causés par les arbres et les bâtiments, ainsi que les conditions météorologiques (pluie et neige) ont une influence négative sur le canal radio. La figure 2 montre en exemple l’amplitude au carré d’une réponse impulsionnelle de canal variant dans le temps, h(t, τ) appelé PDP pour Power Delay Profile.


Figure 2 : Profil de retard de puissance (PDP) d’une réponse impulsionnelle de canal (CIR) variant dans le temps.

 

Une possible propagation des trajets multiples du signal radio apparaît sur l’axe de retard τ. Les maxima locaux laissent supposer des échos retardés de haut niveau et par conséquents la présence d’éléments réflecteurs dans le canal radio. Dans cet exemple, les variations dans le temps de la réponse impulsionnelle du canal peuvent être observées sur l’axe des temps t. Une des causes possibles d’une telle variation temporelle est la mobilité du récepteur, ou plus généralement, des conditions de canal changeantes.

Dans cet exemple, les exigences essentielles pour le sondage de canal sont déjà identifiables. En plus de la haute sensibilité dans la gamme de fréquences et des bandes passantes considérées, le sondage de canal doit être suffisamment rapide pour détecter les changements dans le temps au sein du canal. Mais il doit aussi mesurer chaque réponse impulsionnelle de canal suffisamment longtemps pour enregistrer la répartition du retard avec une résolution temporelle et une dynamique la plus élevée possible. Malheureusement, ce sont deux exigences en contradiction qui réclament un compromis. Le meilleur compromis possible dépend du scénario: mesures stationnaires ou mesures dans des environnements variant fortement dans le temps (comme par exemple dans un train se déplaçant rapidement). Un sondage de canal doit clairement fournir un très haut degré de qualité et de flexibilité. La solution présentée ici est donc la mieux adaptée.
La réponse impulsionnelle de canal ou CIR peut désormais se mesurer par une corrélation directe dans le domaine temporel. Pour ce faire, des propriétés particulières de corrélation automatique de signaux impulsionnels spécifiques périodiques compressés sont utilisées [1]. Ces signaux de sondage sont de structure très simples. Par exemple, des séquences binaires pseudo-aléatoires (PRBS pour pseudo random binary sequences) simples de longueur maximale, appelées séquences M (M-sequences), seront tout à fait appropriées. Le concept de sondage de canaux est très simple. Une séquence M périodique est émise sur le canal radio afin d’être analysée. Le signal reçu est corrélé à « l’extrémité » du canal avec cette séquence M afin d’obtenir le CIR souhaité. Bien entendu, les séquences de sondage peuvent être optimisées ; par exemple, selon leur pureté spectrale ou leur facteur de crête. C’est pour cela que sont employées, outre les séquences M, des séquences Zadoff-Chu et des signaux FMCW (signaux « chirp ») exploités par les technologies radar.
Pourquoi privilégier le sondage des canaux 5G ?

L’ère des communications mobiles numériques a commencé avec le standard GSM obligeant les fabricants de stations de base et mobiles à relever le défi de la gestion des canaux radio selon les paramètres de temps et de localisation. Ce qui nécessitait une mesure détaillée des canaux radio et la détermination de leurs modèles. Ces modèles ont constitué la principale base de développement de l’ensemble du système des communications sans fil, comprenant des outils de planification de réseaux cellulaires. Les modèles de canaux se sont continuellement développés jusqu’à ce jour avec la quatrième génération de communications sans fil (LTE-A) [2]. Puisque les précédentes générations de communications sans fil étaient habituellement exploitées dans les mêmes bandes de fréquences sous les 3 GHz, il était relativement facile d’adapter continuellement les modèles de canaux. Cependant, dès lors que des réseaux opèrent sur des plages de fréquences complètement nouvelles, telles que la gamme des ondes millimétriques, et que leur largeur de bande de canal utile est un multiple de celle employée jusqu’à aujourd’hui, les modèles de canaux existants ne conviennent plus [1]. De nouveaux modèles, obtenus uniquement à partir des données fournies par les campagnes de mesure par sondage de canaux, doivent alors être mis en place. Et c’est pour cette même raison que des campagnes de mesure à grande échelle ont été effectuées dans des environnements types, à l’initiative par exemple du 3GPP (3rd Generation Partnership Project) lors du « 5G Workshop » de septembre 2015.
La solution proposée par Rohde & Schwarz

Une solution de sondage de canaux pour la mesure directe de la réponse impulsionnelle de canal met en oeuvre un émetteur flexible de haute qualité pour la génération des séquences de sondage, et un récepteur large bande de haute sensibilité offrant une très haute dynamique (voir figure 3). Le générateur de signaux vectoriels R&S®SMW200A et l’analyseur de spectre et de signaux R&S®FSW de Rohde & Schwarz présentent les caractéristiques requises.

 


Figure 3 : Configuration de base pour la mesure directe d’une réponse impulsionnelle de canal (CIR) (hors câblage et antennes).

 

La nouvelle application logicielle sur PC basée MATLAB® R&S®TS-5GCS 5G facilite la détermination de la réponse impulsionnelle de canal. Elle évalue les données I/Q fournies par l’analyseur R&S®FSW et calcule la réponse impulsionnelle par corrélation avec une séquence de référence calibrée. Les données de mesure s’affichent sous forme graphique et peuvent être exportées dans un format compatible MATLAB® (figures 4 et 5). L’utilisateur bénéficie de la stabilité et des hautes performances des mesures fournies par ces instruments de mesure, à des fréquences se situant dans la gamme des ondes millimétriques. Il peut ainsi se concentrer sur l’évaluation des données mesurées. Tous les signaux de sondage sont fournis dans des formes d’ondes compatibles avec le R&S®SMW200A. L’application R&S®ARB Toolbox Plus permet en outre à l’utilisateur d’adapter les séquences à ses besoins et de générer ses propres séquences de sondage.

 


Figure 4 : Exemple de mesure d’un spectre avec retard de puissance. L’atrium du centre de formation de Rohde & Schwarz à Munich sert de site de test. La mesure est effectuée à 17 GHz avec une antenne à cornet de 13 dBi côté émission (R&S®SMW200A) et d’une antenne à large bande omnidirectionnelle côté réception (R&S®FSW43) ; soit un choix d’antennes types pour des campagnes de mesure de sondage de canaux. On peut observer les réflexions sur le sol et le plafond du bâtiment.

 


Figure 5 : Profil Doppler de retard de puissance 3D. Pour chaque écho, le décalage de fréquence Doppler correspondant est présenté. Le profil illustré ici n’a pas été généré par la mesure d’un chemin réel, mais a été généré avec le simulateur de fading du R&S®SMW200A qui est parfaitement compatible avec l’application logicielle de sondage de canaux.

 

Références :
[1] « Radio Propagation Measurement and Channel Modeling », Sana Salous, Durham University, Royaume-Uni, publié en 2013 par John WILEY and Sons Ltd.
[2]  [WINNER II D1.1.2, rapport « Channel models », V1.2, 2008, disponible sur http://www.ist-winner.org/deliverables.html.