Thèse Vers le Mimo 6G à la Frontière de la Physique des Antennes et du Canal de Propagation et du Traitement pour le Multiplexage Spatial Massif - Modélisation du Canal H/F

Institut Polytechnique de Paris Télécom Paris

La 5G NR a permis une augmentation significative du débit de données par rapport à la 4G, grâce notamment à la technologie Massive MIMO. Cette dernière peut répondre à la demande actuelle, avec des stations de base comprenant quelques dizaines de ports RF (c'est-à-dire généralement 32 ou 64 ports d'antenne, avec éventuellement plus d'antennes dans le cas d'architectures hybrides). La demande croissante en trafic de données dans les réseaux cellulaires augmente actuellement de 40 % par an. Cela correspond approximativement à une capacité 30 fois supérieure nécessaire dans dix ans. Avec les nouveaux services (tels que les communications hyperfiables à faible latence ou la réalité augmentée), la croissance du trafic pourrait être encore plus importante (100 fois en 10 ans ?). Une partie du chemin peut être parcourue en augmentant les bandes passantes, mais la rareté du spectre dans les bandes adaptées à une couverture étendue (par exemple, inférieure à 7 GHz) constitue une sérieuse limitation. L'efficacité spectrale SE (définie comme la capacité spécifique de Shannon Cs = C/B = log2(1+SNR) en bits/s/Hz) ne peut être augmentée au-delà de certaines valeurs raisonnables - disons environ 10 bits/DoF (degré de liberté) - car cela nécessite un SNR élevé (généralement supérieur à 30 dB). En effet, au-delà de ces valeurs, les performances du système sont généralement limitées par les imperfections du matériel (variabilité, température, vieillissement, etc.) plutôt que par le bruit. La question centrale pour la prochaine génération est donc de savoir comment augmenter les débits de données d'un facteur aussi élevé que 100 (voire 1 000 ?). Si la montée en fréquence (millimétrique, sub-térahertz) reste une bonne piste, elle est insuffisante en raison de limites technologiques (complexité, dispersion de fabrication, puissance disponible et efficacité limitées des amplificateurs de puissance, etc.) et de l'augmentation importante des coûts. Il faut donc créer de nouveaux degrés de liberté ('dimensions de signal'), notamment en augmentant l'efficacité spectrale (SE) totale (SSE en bit/s/Hz, définie comme la somme des SE des Ls couches de données multiplexées spatialement). En effet, la SSE est bornée par Ls x log2(1+SNR). Ce comportement linéaire plaide pour « plus de MIMO » (beaucoup plus d'antennes), en augmentant le multiplexage spatial pour servir plus de terminaux : c'est « l'Ultra Massive MIMO (UM-MIMO) » constitué de réseaux extrêmement grands. Les nouveaux défis soulevés ici ne sont pas seulement techniques et technologiques, mais aussi liés à la physique des antennes et de la propagation. Dans la 6G, un plus grand nombre d'antennes et des fréquences plus élevées élargiront la région de Fresnel. Le couplage mutuel, la sphéricité du front d'onde et la tri-polarisation doivent être finement pris en compte. De plus, dans cette région, outre la formation angulaire de faisceau, la focalisation en distance est également possible, car le volume de focalisation est fin. Les traitements appropriés de la formation de faisceau en NF doivent être conçus en conséquence. La prévalence des scénarios NF devrait également augmenter dans les technologies émergentes telles que les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS), les antennes mobiles et les réseaux sans cellules.
Le travail proposé consiste à développer des modèles de canaux de propagation (combinant physique, traitement du signal et modèles d'abstraction) dans le contexte décrit, et à adopter une approche plus avancée de modélisation conjointe antenne-canal. L'objectif « ultime » (à moyen terme) est d'optimiser ces systèmes, de fournir des recommandations de conception et quelques pistes pour effectuer une sélection. Ce travail nécessite des connaissances en radiocommunications, électromagnétisme, propagation, antennes, micro-ondes et au moins des connaissances de base en traitement du signal et en statistiques. Une connaissance de Matlab (au moins de base) serait également appréciée.

Communications radio multi-utilisateurs, ultra haut débit
Modélisation statistique du canal de propagation dans le contexte UM-MIMO pour la 6G.

Académiques :
- Développement de modèles de canal en champ proche ; approche conjointe antenne/canal.
- Publications et conférences internationales.