La technologie MIMO (suite)

3 Avantage du MIMO dans le réseau haut débit

Lorsque les bornes WiFi 802.11a et g ont utilisé deux antennes, le but était de trouver et d’utiliser l’antenne qui avait la meilleure puissance pour dialoguer avec un autre équipement. Le point d’accès utilise alors une seule des deux antennes par communication.

Après que diverses améliorations eurent été faites pour le 802.11 a et g, une nouvelle génération de WiFi a été conçu tout en tenant compte de deux contraintes : garder le même spectre de fréquences et ne pas augmenter la puissance. Le MIMO est alors apparu. Ce dernier, combiné avec la technologie WiFi 802.11 a et g, a donnée naissance au 802.11n au mois de janvier 2006. A la différence des bornes ancienne génération, le MIMO utilise au moins 2 antennes pour envoyer des informations différentes sur chacune d’elle. Avec ces antennes et toutes les réflexions causées par l’environnement, le MIMO tire profit des multiples canaux.

Nous allons voir maintenant les deux principaux avantages du MIMO dans les réseaux haut débit.

3.1 Spatial Diversity Multiplexing 

D’après le schéma ci-dessus, nous constatons qu’avec deux antennes de chaque côté, quatre canaux distincts sont créés. Lorsqu’un paquet S1 est envoyé à partir de l’antenne « 1 E » à destination de « 1 R » et que le paquet S2 est envoyé de « 2 E » pour « 2 R », à la réception chaque antenne reçoit à la fois ce qui a été envoyé par « 1 E » et « 2 E » multiplié par un coefficient complexe en fonction de leur canal. Pour recomposer la trame il va falloir résoudre un système de deux équations à deux inconnues afin d’isoler S1 et S2. La façon dont on retrouve le signal émis est relativement simple grâce à l’OFDM. Dans le domaine temporel, des opérations beaucoup plus complexes auraient dues être effectuées. Reste un problème : comment déterminer les coefficients complexes de chaque canal pour décoder la trame par la suite ? Ce problème est vite écarté grâce à la structure de la trame OFDM WiFi. Une trame OFDM 802.11 est toujours constituée de deux paquets d’en-tête connus de l’émetteur et du récepteur, de cette façon les différents coefficients seront déterminés et le signal sera ensuite décodé puis la trame reconstituée.

Grâce au SDM, le MIMO permet au 802.11n d’atteindre des débits théoriques avoisinant les 150 Mbits/s avec 2 antennes de chaque côté et une bande de 20 Mega Hertz de spectre, avec 40 Mega Hertz on atteint 270 Mbits/s. En pratique le récepteur pourra avoir une troisième antenne pour garantir que le système d’équations équivalent au récepteur possède bien une solution et donc que l’on pourra effectivement récupérer les signaux transmis.

Avec cette technique, nous avons vu que le MIMO permet au WiFi de dépasser le débit psychologique des 100 Mbits/s. Malgré tout, ce type de fonctionnement ne rend pas le système WiFi plus robuste. C’est pourquoi le MIMO offre la possibilité  d’utiliser une autre technique de transmission afin de palier au problème précédent.

3.2 Space Time Bloc Code

Tout comme le MIMO-SDM, le MIMO-STBC envoie des signaux différents sur chaque antenne mais le principe du STBC est d’introduire une redondance d’information entre les deux antennes et ainsi d’améliorer la robustesse pour une même puissance d’émission mais sans gagner du débit. Au niveau de l’émission, dans la trame OFDM qui a été générée précédemment, l’émetteur va prendre les paquets de cette trame deux par deux. En réalité le système d’émission va envoyer d’un côté S1 et S2 sans les modifier et de l’autre côté il sera envoyé d’abord le conjugué de S2 et après le conjugué de S1 négatif. Le système de réception va dans un premier temps, déterminer les coefficients complexes des canaux comme dans le SDM. Ensuite ce système va recevoir un premier couple S1 et le conjugué de S2 puis dans un second temps S2 et –S1*. Avec ces deux couples la trame émise va pouvoir être reconstituée de façon très sûre grâce un système de vérification entre les paquets S1 et S2 envoyés et leurs conjugués.

Grâce au STBC, le MIMO rend le WiFi plus robuste tout en gardant des débits équivalents à l’ancienne génération.

Finalement, quand on compare le MIMO avec l’ancienne génération de WiFi au niveau de la communication, en laissant de côté la sécurité, nous pouvons constater qu’il y a eu deux améliorations majeures :

• A même puissance et à distance égale, le MIMO permet de doubler le débit du 802.11a ou g mais le réseau n’en n’est pas plus robuste.
• A même puissance et à débit égal, le MIMO permet d’augmenter la portée des équipements tout en garantissant une qualité de réception.

4 Communication mobile

Aujourd’hui, les communications mobiles sont réprésentées par le GSM, le GPRS, l’EDGE, et la 3G. Tous les modes de communications ont été majoritairement conçus pour transporter essentiellement de la voix et non des données. Cette tendance est en train de changer. Pour l’instant le MIMO et les multiples antennes sont encore peu utlisées ou toujours en test. Le MIMO avec le OFDM vont bientôt être utilisés dans la 4G.

Actuellement, Nortel Network est en train de mettre en place un nouveau concept : le HSOPA (high-speed OFDM packet access technology), qui incorpore le OFDM et MIMO. Nortel étant connu dans le monde de la communication mobile pour être un acteur de la technologie OFDM, qui est une évolution du standard 3GPP (3rd Generation Partnership Project) basé sur l'architecture HSDPA. La compagnie prétend que HSOPA est simplement un concept et qu'il sera allié ou intégré au reste de la technologie 3G. Mais expliquons les avantages du couplage OFDM et MIMO.

Ce que ces deux technologies peuvent amener au monde des communications mobiles est un meilleur débit descendant. En combinant l'interface de fréquence OFMD et le support physique MIMO, il est possible de réaliser des pics de débits à 37 Mbps.

Un prototype, réalisé par la société Nortel Network, se base sur la division de fréquences de l'UMTS. Ce prototype utilise une bande passante de 5Mhz et une horloge UMTS. L'interface du débit descendant est basée sur le couple OFDM-MIMO, avec deux antennes de transmission pouvant être augmentées jusqu'à 4 antennes en réception. Le débit montant supporte des pics de débit à 2 Mbps.

Au japon, grâce au couplage MIMO/OFDM, la société DoCoMo, a réalisé des transferts de données à 2,5 Gbps. C'est 1000 fois plus rapide que les réseaux HSDPA qui sont aujourd'hui les réseaux mobiles les plus performant.

Mais outre ce gain de vitesse, l' HSOPA a pour but de réduire les coûts, puisque l'OFDM permet d'obtenir une plus grande capacité avec une utilisation de spectre égale à l'UMTS. C'est un intérêt majeur pour les opérateurs voulant déployer de la VOIP. En effet, dans ses tests Nortel estime de 20 à 40 ms de retard avec la technologie HSOPA, contre 65 ms avec du HSDPA.

5 Conclusion

Le MIMO est donc un protocole de la couche physique. Allié à d'autres technologies, il sera peut être la référence future en terme de communication mobile.

Aujourd'hui, les différents constructeurs de matériels réseau (Netgear, Linksys, D-Link,...) proposent des solutions dites MIMO mais ne garantissent pas toujours les débits théoriques indiqués sur les boîtes, et pose le problème de la compatibilité avec les futures générations certifiées 802.11n.

Le MIMO permet donc d'envoyer plusieurs signaux différents sur des antennes différentes à des fréquences proches pour augmenter le débit ou la portée du réseau. Sa particularité passe donc par l'utilisation simultanée de plusieurs antennes, émettrices et réceptrices. Ainsi il permet d'améliorer les performances des appareils, qui aujourd'hui connaissent des problèmes liés à la nature des ondes et à leur comportement suivant l'environnement, ce qui diminue la qualité de transmission et donc le débit ainsi que la portée.

C'est donc en palliant à ces problèmes que le MIMO se place en tête des technologies d'avenir pour les communications mobiles.

Son utilisation, couplée à une autre technique comme l'OFDM, reste encore à être testée plus amplement, mais les premiers résultats sont prometteurs. La question qui se pose aujourd'hui est la suivante : la génération de téléphonie basée sur le HSDPA est elle déjà dépassée, alors qu'elle vient à peine de voir le jour ?

Avec l’apparition de MIMO dans des réseaux comme le WiFi, le WIMAX et la 4G, nous pouvons imaginer que dans quelques années les réseaux hauts débits et les communications mobiles ne feront plus q’un seul et même ensemble, c'est-à-dire : la généralisation de la TOIP (Telephony over Internet Protocol) dans la téléphonie mobile et la disparition de réseaux actuels créés pour la voix.

Un grand merci à Mathieu Rigotto & Mathieu Boyaud pour ce dossier MIMO