Thème 2 : Communications 60/120 GHz

  • Développement et mesures de solutions antennaires à 60GHz
  • Caractérisation d’antennes à 120GHz
  • Modélisation de canal à 60, 120GHz
  • 5G : Small cells

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L’accès au très haut débit par des technologies « sans fils » est  un des gros enjeux techniques des prochaines années. La bande libre autour de 60 GHz présente de nombreuses propriétés intéressantes, notamment des  transmissions de l’ordre de 7 Gb/s qui deviennent théoriquement possibles (Wi-Fi 802.11.ad).

Les front-ends radio sont largement matures mais leur intégration avec les systèmes antennaires reste difficile en particulier au niveau du packaging  (antenna in package [AiP] avec intégration de l’antenne sur un substrat faibles pertes de type céramique LTCC ou organique). Les techniques mises en jeu nécessitent une expertise spécifique notamment du point de vue de la caractérisation.

Dans le cadre du CREMANT1, nous avons co-développé un “Banc de mesure 3D de systèmes rayonnants dans les bandes millimétriques” dont la fonction  est de caractériser et pré-certifier des modules d’objet communicants à 60 GHz fonctionnant dans le futur standard 802.11ad. Les partenaires historiques de ce projet sont l’UNS et ORANGE Labs via le CREMANT, ainsi que STMicroelectronics, Agilent et la plateforme conception CIM-PACA.

Ce banc, à l’état de l’art du domaine, permet de caractériser complètement (diagramme, adaptation, gain, pire, efficacité, polarisation) les systèmes antennaires millimétriques interfacés avec les modules frontaux RF. Ainsi, des publications prestigieuses ont déjà été effectuées conjointement avec des Universités de renom telles que Berkeley et Stanford. Il n’existe aujourd’hui que très peu de solutions de caractérisation automatisées équivalentes disponibles à travers le monde permettant de mesurer pleinement en 3D le rayonnement de petits objets communicants à 60 GHz.

Compte tenu du savoir-faire déjà acquis, les objectifs du CREMANT2 sur ce thème se scindent en 3 volets : Mise en place d’une procédure de test et de pré-industrialisation pour les systèmes millimétriques complets, Extension de l’expertise à 60 GHz et développement de modules antennaires pour les nouvelles applications (802.11.ad, small cells 4G et backhauling 60GHz) et enfin adresser les bandes millimétriques supérieures (120GHz) qui vont émerger dans les années à venir pour accroître encore les débits radio.

1.1       Caractérisation « OTA » (Over The Air) de systèmes complets à 60 GHz

Les solutions actuelles basées sur les produits WIFI (802.11.ac) sont limitées par les fréquences étroites disponibles sur les bandes à 2 et 5 GHz. La bande sans licence des 60 GHz présente 5 GHz de bande disponible mondialement (9 GHz en Europe)  permettant d’utiliser des canaux plus larges (jusqu’à 2.16 GHz) pouvant supporter des transmissions plus rapides. De plus, le nouveau standard adopté par la communauté (802.11.ad/WiGig)  étend les capacités du WIFI aux bandes des 60 GHz tout en conservant un support natif avec les bandes à 2 et 5 GHz. Le but de cette étude sera de caractériser un système d’antennes millimétriques dans un environnement réaliste. Les mesures seront réalisées au niveau système (bande de base + front end + antenne) et les performances en terme d’EVM ou de BER pourront être extraites. En se basant sur ce banc de mesure, des antennes avec différentes polarisations et diagrammes de rayonnement seront mesurées et leurs performances en termes de débits seront extraites.

1.2       Développement de modules et solutions de mesure à 60 GHz

L’objectif est ici de développer de nouveaux modules de communications et parallèlement de faire évoluer le banc de mesure et les techniques de traitement des données.

  • Développement de modules antennaires :
    • Conception de modules organiques faible gain (polarisation linéaire et circulaire)
    • Conception de modules organiques à gain moyen (directivité 10/12 dBi)
    • Conception de modules organiques à fort gain (application de type backhaul)
  • Nouvelles méthodes de caractérisation
    • Implémentation de transformations champ proche champ lointain jusqu’à 67 GHz
    • Modifications mécaniques du banc pour mesurer la vraie polarisation circulaire
    • Implémentation d’une méthode de transformation champ proche champ lointain sans acquisition de la phase (cf. chapitre 4.3)
    • Benchmarking avec la grande chambre sourde de référence d’ORANGEe Labs
  • Prospective
    • Prise en compte du plastique ABS sur les modules organiques.
    • Prise en compte de l’objet communicant sur les performances du module (simulations évoluées).
    • Prise en compte de l’environnement proche (mains de l’utilisateur, etc.).

1.3       Mesure des performances RF de systèmes antennaires à 120 GHz

La bande libre des 120 GHz est prometteuse pour les communications ultra haut débit à courte portée.

  • Evaluation de technos à 120 GHz : IPD, LTCC, Organique, PCB, etc.
  • Conception de modules à faible, moyen et fort gain.
  • Evolution mécanique du banc pour intégrer le nouveau positionneur, le nouveau mélangeur, les nouvelles pointes nécessairement alimentées en guide.
  • Conception de méthodes de calibration évoluées pour le 120 GHz
  • Caractérisation de structures rayonnantes à 120 GHz
  • Conception de modules à fonctionnalités électroniques évoluées pour le 120 GHz (en collaboration entre autres avec les Université de Berkeley et Stanford)

1.4       Démonstrateur de backhauling à 120 GHz

Il s’agit de mettre en place un démonstrateur de transmission haut débit  à 120 GHz sur un lien radio outdoor La Turbie – Beausoleil avec un débit de 7Gb/s sur une portée de 1km. L’objectif est de démontrer la faisabilité d’un backhauling en technologie faible coût en bande millimétrique pour les applis small cells 4G.

1.5      Small cells – 5G

Les réseaux voix et données 4G sont actuellement en cours de déploiement mais la demande par les consommateurs en débit de données augmente toujours de façon exponentielle. Nous nous devons donc de penser, concevoir et développer des technologies et systèmes innovants pour pouvoir répondre aux problématiques et challenges des futurs réseaux 5G, tout cela avec des consommations minimales. Les challenges actuels concernent la vitesse moyenne de l’ADSL (5 Mbps en France) alors que les réseaux LTE sont en cours de déploiement et vont délivrer 300 Mbps (3 x 100) puis 900 Mbps avec le LTE-A (ce qui impose d’utiliser un lien backhaul sans fil de 300 Mbps à 1 Gbps afin de se connecter au RAN). Ce paradoxe peut-être expliqué en étudiant les débits des technologies filaires et sans fils disponibles ou en cours de déploiement. On observe nettement que les solutions sans fils dépassent aujourd’hui les solutions fixes et elles posent moins de problème pour le déploiement : nous sommes vraiment face à un changement radical qui préfigure certainement les architectures des futures réseaux. Une possible vision pour les réseaux de 2020 consiste donc à utiliser des stations de base plus petites et faible consommation, couvrant un diamètre d’environ 400m afin d’augmenter la capacité du réseau en développant notamment de l’agrégation. Le déploiement d’une telle solution nécessite un lien backhaul sans fil haut débit en bande millimétrique (afin de limiter le CAPEX lié aux travaux  de génie civil) et le cœur de réseau devra passer au 100 Gbps optique (voir 400 Gbps optique). Pour supporter cette approche, on peut imaginer développer une small cell 5G qui combinerait les capacités du WiFi 11ac @5 GHz et 11n @ 2.5 GHz et du LTE afin d’offrir un débit agrégé de 11.52 Gbps. Cette approche permettrait d’offrir un accès haut-débit sans fil partout. Mais des défis techniques sont à relever :

  • développement d’une solution backhaul sans fil, faible coût et faible consommation avec un débit de 10 Gbps
  • développement de solutions communicantes innovantes afin de pouvoir supporter du MIMO Wi-Fi et LTE sur 3 secteurs (36 antennes au total) avec la structure de coût d’un point d’accès Wi-Fi

Centre de REcherche Mutualisé sur les ANTennes