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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13945 (2023) Citer cet article

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La formation de faisceaux analogique adaptative est une technologie clé pour permettre le contrôle spatial des signaux sans fil à ondes millimétriques rayonnés par les antennes réseau à commande de phase (PAA), essentielle pour maximiser la capacité des futurs réseaux mobiles et garantir une utilisation efficace d'un spectre rare. La fréquence intermédiaire sur fibre (IFoF), en revanche, est une technologie prometteuse pour le fronthaul mobile à ondes millimétriques (ondes millimétriques) en raison de sa faible complexité, de son efficacité spectrale optique élevée et de sa faible latence. La combinaison de l'IFoF et du PAA est essentielle pour mettre en œuvre des communications mobiles à ondes millimétriques de manière évolutive, centralisée, efficace et fiable. Ce travail présente, pour la première fois à la connaissance des auteurs, une vaste campagne de mesures en extérieur au cours de laquelle une configuration expérimentale sans fil à ondes millimétriques IFoF est évaluée à l'aide de PAA avec formation de faisceau adaptative côté émetteur et récepteur. La configuration de l'installation expérimentale est conforme aux normes 5G, transmettant des signaux sans fil à la fréquence centrale de 27 GHz dans la bande n258. Les PAA utilisés sont composés de réseaux d'antennes patch 8 x 8, permettant l'orientation du faisceau dans les angles d'azimut et d'élévation. En outre, différents emplacements d'utilisateurs finaux, configurations d'antennes et scénarios sans fil sont testés dans le cadre de l'expérience en extérieur, montrant d'excellentes performances EVM et permettant une transmission 64-QAM sur jusqu'à 165,5 m à un débit allant jusqu'à 1,88 Gbit/s. Les résultats expérimentaux permettent d'optimiser la configuration expérimentale pour différents scénarios et prouvent la fiabilité du système dans différentes conditions sans fil. De plus, les résultats de ces travaux prouvent la viabilité et le potentiel de l’IFoF combiné au PAA pour faire partie de la future structure 5G/6G.

La croissance spectaculaire du trafic de données mobiles ces dernières années nécessite une mise à niveau et une amélioration majeures de l'infrastructure réseau, notamment avec l'émergence de nouvelles applications et services tels que la réalité augmentée (AR), la réalité virtuelle (VR), le streaming vidéo 4K/8K. , conduite autonome, Industrie 4.0 et Internet des objets (IoT)1. La cinquième génération (5G) de réseaux mobiles et son successeur 6G visent à fournir une qualité d'expérience (QoE) et une qualité de service (QoS) adéquates pour de telles applications. Pour y parvenir, les normes 5G précisent un ensemble d’exigences en termes de latence, de nombre d’appareils connectés, de débit de données, d’efficacité énergétique, de mobilité et de capacité2. Augmenter le débit de données est l’un des principaux objectifs des futurs systèmes 5G/6G. Pour y parvenir, il est nécessaire de s’orienter vers des bandes de fréquences plus élevées. Les communications optiques sans fil fournissent une grande quantité de bande passante disponible à exploiter. Cependant, les communications optiques sans fil offrent une faible fiabilité, de petites zones de couverture et une faible sensibilité, ce qui les rend inadaptées aux scénarios mobiles extérieurs3. En revanche, les communications sans fil à ondes millimétriques surmontent les inconvénients de l’approche optique, permettant l’utilisation d’une quantité importante de spectre disponible. L’un des défis les plus importants des communications sans fil à ondes millimétriques est la limitation de puissance due à l’augmentation des pertes sur le trajet en espace libre (FSPL), à l’atténuation atmosphérique et aux pertes de pénétration4.

La formation de faisceaux est une méthode clé pour atténuer les limitations de puissance dues à la perte de trajet élevée dans les communications sans fil à ondes millimétriques5 et pour permettre un contrôle spatial du signal, minimisant les interférences et permettant une réutilisation accrue des fréquences. Bien que la formation de faisceaux numérique soit le plus souvent appliquée aux systèmes à faible bande passante inférieure à 7 GHz, elle nécessite une chaîne RF complète, des convertisseurs analogique-numérique (CAN) et des convertisseurs numérique-analogique (DAC) pour chaque élément d'antenne, ce qui la rend s’adapter mal en termes de coût, de complexité et de consommation d’énergie, en particulier pour les applications MIMO (massive multiple-inputs and multiple-output) à ondes millimétriques5, 6. En conséquence, les technologies de formation de faisceaux analogiques et hybrides permettent le déploiement de communications mobiles à ondes millimétriques. de manière efficace et évolutive, car ils réduisent le nombre d'ADC et de DAC requis. En particulier, les antennes réseau à commande de phase (PAA) constituent l’une des implémentations de formation de faisceaux analogiques les plus prometteuses, offrant des capacités d’orientation de faisceau rapides et flexibles7, 8.