Les universités de Bristol et de Lund s'associent à NI pour atteindre une efficacité spectrale 5G record en s'appuyant sur la technologie Massive MIMO

Paul Harris, University of Bristol

"La plate-forme matérielle et logicielle intégrée sur laquelle repose le système de prototypage MIMO de NI a allégé certaines contraintes de développement."

- Paul Harris, University of Bristol

Le défi

Selon Cisco, 5,5 milliards de personnes possèderont au moins un téléphone mobile d'ici 2020. Le Royaume-Uni à lui seul comptera des dizaines de millions d'utilisateurs mobiles qui consommeront chacun 20 Go de données par mois, et utiliseront quotidiennement plus de 25 appareils intelligents différents. Si l'on tient compte des applications consommatrices de grandes quantités de données comme les vidéos en 4K, des véhicules autonomes, des usines intelligentes et de l'expansion des lignes d'accès à haut débit jusqu'aux endroits les plus reculés de la planète, il semble évident que les réseaux sans fil actuels ne seront pas à la hauteur des évolutions qui s'annoncent.

La solution​

Pour répondre à la demande de plus en plus pressante d'amélioration des débits de données, de capacité et de fiabilité des réseaux, les ingénieurs et les chercheurs des universités de Lund et de Bristol utilisent le système de prototypage MIMO de NI pour apporter rapidement des innovations aux projets de réseaux cellulaires 5G – l'objectif étant de préparer le terrain pour les communications sans fil de demain par le biais de techniques Massive MIMO. L'équipe de recherche est parvenue à multiplier par 20 l'efficacité de la bande passante par rapport aux technologies cellulaires 4G actuelles, ce qui ouvre un nouveau champ de possibilités en termes de déploiement 5G dans les bandes de fréquences inférieures à 6 GHz.

Auteur(s):

Paul Harris - University of Bristol
Steffen Malkowsky - Lund University

 

Multiplier pour mieux innover

Pour libérer le potentiel des réseaux 5G, il faut avant tout connaître celui de la technologie Massive MIMO. À partir d'une station de base et d'un grand nombre d'antennes (supérieur à 64), les techniques Massive MIMO permettent d'effectuer du multiplexage spatial. Cela se traduira par une augmentation du débit utilisateur dans les zones d'utilisation intensive sans utiliser davantage de spectre radio ni causer d'interférences. Concrètement, le Massive MIMO signifie moins de coupures d'appels, moins de zones non couvertes et des transmissions de meilleure qualité, et tout cela dans les limites de notre spectre radio de plus en plus restreint.

 

Mieux encore, le Massive MIMO promet de réduire les coûts et d'améliorer l'efficacité énergétique des futurs réseaux par rapport aux réseaux LTE (4G) actuels, tout en améliorant leur fiabilité grâce à la redondance liée à l'augmentation du nombre d'antennes.

 

 

Recherches temps réel et nouveaux records

Des chercheurs des universités de Bristol et Lund ont entrepris de tester la viabilité de la technologie Massive MIMO dans le cadre des réseaux 5G, leur but étant de décupler (au minimum) la capacité des réseaux actuels. Pour ce faire, ils se sont tournés vers NI en adoptant notre plate-forme de prototypage MIMO qui réunit du matériel de radio logicielle et LabVIEW, et en faisant appel à notre groupe de recherche sur les communications sans fil.

 

À l'aide du système de prototypage MIMO, l'équipe de recherche est parvenue à mettre rapidement de nouvelles théories à l'essai en conditions réelles, en présentant la première démonstration mondiale d'un banc d'essai Massive MIMO temps réel à 128 antennes. Ce banc d'essai à la fine pointe de la technologie leur a permis d'atteindre par deux fois une efficacité spectrale record. En effet, celle-ci a dépassé 79 bit/s/Hz en liaison radio temps réel à 3,5 GHz, entièrement bidirectionnelle, sur une bande passante de 20 MHz et avec 12 utilisateurs simultanés. Peu après, l'équipe a poursuivi l'amélioration du système pour atteindre une efficacité spectrale supérieure à 145 bit/s/Hz avec cette fois 22 utilisateurs partageant la même ressource temps-fréquence.

 

Technologies

Le système de prototypage MIMO associe du matériel NI sur étagère au logiciel LabVIEW. C'est donc sur cette plate-forme que repose l'ensemble de leur système haut débit, haute capacité et à faible latence. L'équipe est parvenue à parfaitement intégrer près de 100 composantes matérielles différentes en s'appuyant sur un seul modèle de conception logiciel. L'approche modulaire, l'intégration matériel/logiciel étroite et l'IP FPGA temps réel intégrée à LabVIEW ont permis aux chercheurs d'obtenir plus rapidement que prévu la solution dont ils avaient besoin, tout en garantissant l'évolutivité et la rentabiltié de leur plate-forme.

 


Et maintenant ?

Dans le cadre du projet « Bristol is Open » mené conjointement par l'université et le conseil municipal de Bristol, l'équipe de recherche envisage à présent de déployer son banc d'essai Massive MIMO sur un toit dans le périmètre de la ville, et de le connecter à son réseau de fibres optiques. Cela devrait permettre de conduire des recherches approfondies sur l'influence réelle de cette technologie sur la société. À terme, Bristol divisera le système en quatre sous-systèmes à 32 antennes, et utilisera le réseaux de fibres optiques pour mettre en œuvre une configuration Massive MIMO distribuée. Cela permettra aux opérateurs de réseau d'établir des méthodes de communications plus efficaces pour tous.

 

De son côté, l'Université de Lund utilisera prochainement son propre banc de test Massive MIMO pour lancer une campagne de mesures en extérieur visant à caractériser des canaux et à concevoir l'IP de l'accélérateur dans des conditions de déploiement plus réalistes.

 

Bristol et Lund poursuivront néanmoins leur collaboration dans le cadre de ce projet. Lund accueillera l'équipe de Bristol pour entreprendre des essais de mesure en extérieur avec des utilisateurs mobiles, de manière à étudier l'influence de la mobilité sur les mécanismes Massive MIMO.

 

 

À propos de l'équipe de recherche

Le groupe Communication Systems & Networks (CSN) de l'Université de Bristol s'est formé en 1985 pour faire avancer la recherche dans les secteurs des communications filaires et sans fil. Son approche consiste à appliquer des recherches universitaires fondamentales au secteur industriel. Le groupe dispose de laboratoires remarquablement pourvus, d'équipements de test et de mesure à la pointe de la technologie, et d'installations de calcul sophistiquées.

 

L'équipe de l'Université de Bristol : Mark Beach, Andrew Nix, Paul Harris, Siming Zhang, Henry Brice, Wael Boukley Hasan et Benny Chitambira

Institution d'enseignement et de recherche renommée, l'Université de Lund a pour ambition de de comprendre, d'expliquer et d'améliorer le monde dans lequel nous vivons ainsi que la condition humaine. Le département de génie électrique et des technologies de l'information (EIT) de l'Université de Lund couvre de nombreux axes de recherche dans le domaine du numérique, de l'analogique ou encore de la conception de systèmes de communications. Il a été l'un des premiers à se pencher sur le Massive MIMO (MaMi), notamment sur l'aspect théorique, la mesure et la caractérisation de canaux et la conception d'IP d'accélérateur MaMi.

 

L'équipe de l'Université de Bristol : Fredrik Tufvesson, Ove Edfors, Liang Liu, Steffen Malkowsky, Joao Vieira, Zachary Miers, Hemanth Prabhu, Erik Bengtsson, Xiang Gao et Dimitrios Viastaras

 

Informations sur l’auteur

Paul Harris
University of Bristol
CSN Group, University of Bristol, Woodland Road
Bristol BS8 1UB
United Kingdom
paul.harris@bristol.ac.uk

Figure 1. Les universités de Bristol et Lund ont mis en œuvre le tout premier banc d'essai Massive MIMO temps réel à 128 antennes, qui leur a permis d'atteindre par deux fois une efficacité spectrale record.
Figure 2. La plate-forme de prototypage MIMO est un système modulaire qui s'appuie sur le matériel PXI et la radio logicielle USRP RIO, et qui permet une multitude de configurations d'antennes.
Figure 3. Le framework d'application MIMO de NI a donné à l'équipe de Lund et Bristol une longueur d'avance au moment du développement, en leur fournissant une architecture de conception logicielle ouverte avec une IP FPGA temps réel.
Figure 4. Paul Harris et Steffen Malkowsky testent leur réseau de 128 antennes dans la chambre anéchoïque de l'Université de Bristol.
The University of Bristol and Lund University implemented the world's first 128-antenna, real-time massive MIMO testbed, which was used to set two consecutive world records in wireless spectral efficiency.
The University of Bristol Research Team