Thèse Communications URLLC dans les bandes millimétriques au-delà de 20GHz F/H

Description de l'offre

about the role

Votre rôle est d'effectuer un travail de thèse sur le sujet : «Communications URLLC dans les bandes millimétriques»

Contexte :

Pour les futures applications issues du nouveau standard 5G, un cas d'utilisation important est lié aux véhicules autonomes et à la « e-santé » où la latence de communication au niveau de la couche radio doit-être inférieure à 0,5 ms. Les transmissions URLLC (Ultra Reliable, Low Latency Communications) imposent, pour certains usages, des fiabilités élevées avec des durées de latence très contraintes.

Ces contraintes fortes de latence et/ou de fiabilité nécessitent des algorithmes performants avec des degrés de diversité importants, en exploitant par exemple les domaines temporels / fréquentiels et/ou spatiaux. Des fréquences sont très bien adaptées à ces cas d'usage, les bandes millimétriques (mmW). Cependant, l'atténuation importante des faisceaux ainsi que les obstacles sont les principaux problèmes à gérer pour déployer des applications dans ces gammes de fréquence.

Pour surmonter ces problèmes, la formation de faisceau (beamforming) est une solution très intéressante pour optimiser les transmissions. La norme NR (5G) actuelle définie par le 3GPP, établit le mécanisme de gestion du beamforming, mais pour mettre en oeuvre ce mécanisme, au préalable certaines étapes doivent être accomplies. Ces étapes seront un enjeu majeur pour les applications URLLC.

Etat de l'art :

Toute communication entre un émetteur et un récepteur, nécessite l'établissement préalable d'un faisceau hertzien entre ces deux équipements. Un ensemble de procédures d'établissement et de gestion de faisceau a déjà été défini [1]. A cela s'ajoute le problème critique de rupture du faisceau, par exemple en cas de mobilité de l'utilisateur, ou simplement lorsqu'il change de position et fait lui-même obstacle au faisceau. Les mécanismes de détection et de récupération des défaillances du faisceau sont donc indispensables pour avoir un service stable et fiable.

Malheureusement, tous ces mécanismes d'établissement, de détection, et de récupération de faisceaux, opèrent au détriment de la latence. Pour prendre en charge un service URLLC dans les bandes millimétriques, nous aurons besoin de mécanismes de gestion de faisceau plus performants, afin de respecter les contraintes de latence faible requises par ce service.

Un deuxième élément concerne l'aspect fiabilité («Ultra Reliable») du service URLLC. Pour assurer cette haute fiabilité, les informations sur l'état du canal seront nécessaires du côté de l'émetteur. Dans la norme NR actuelle, le signal de retour CSI est plus performant, ce qui permet à l'UE d'obtenir des interférences plus faibles entre les UEs et entre les cellules. Ainsi, l'indication de qualité de canal signalée (CQI) est relativement plus fiable, ce qui conduit à des communications plus robustes. Dans le contexte de l'URLLC, le défi est de savoir à quelle vitesse l'UE peut calculer et rapporter le CSI à la station de base. Pour cet aspect de latence, le 3GPP n'a pas convenu de solution pour résoudre ce problème. Les sujets ci-dessus ne sont pas indépendants mais nécessitent plutôt un examen et une conception conjoints.

Lors de cette thèse, nous étudierons l'amélioration de la gestion de la formation de faisceau dans le cadre des transmissions dans les mmW, ciblant les applications URLLC. Les aspects suivants seront étudiés :

·  Optimisation de la gestion du faisceau pour les parties établissement («beam pairing»), détection de défaillance («beam failure detection») et récupération de faisceau («beam recovery»), afin de respecter pour chaque partie, des latences répondant aux exigences des transmissions URLLC.
·  Etudier un nouveau précodeur qui permettra une latence la plus faible possible tout en garantissant une bonne résilience des transmissions.

about you

Vous êtes titulaire d'un diplôme d'ingénieur et/ou d'un master de recherche.

Compétences (scientifiques et techniques) souhaitées par le poste :

·  Maîtrise du traitement du signal et des communications numériques
·  Connaissance de la couche physique et MAC de standard radio, type 4G-LTE
·  Maîtrise de l'outil Matlab et de sa “toolbox” LTE
·  Anglais

Vous disposez d'une première expérience dans le domaine des communications numériques.

additional information

·  Objectif scientifique - verrous à lever

Plusieurs défis sont à relever pour activer le service URLLC dans les bandes millimétriques. Premièrement, comment établir rapidement un faisceau hertzien stable entre la station de base et l'UE. La station de base doit émettre, dans l'espace, différents faisceaux à des instants différents pour que l'UE effectue l'analyse de ces faisceaux et sélectionne ensuite le signal le plus fort. Cependant, une simplification de la génération des faisceaux provoquera au moins deux problèmes:

1)le faisceau issu de l'émetteur ne sera pas suffisamment étroit, ce qui conduira à un SNR plus faible au niveau du récepteur et donc un problème de couverture.

2)les faisceaux n'auront pas une zone de recouvrement suffisante, de sorte que certaines directions n'auront pas de signal, conduisant ainsi à une perte de couverture du service.

Pour ces raisons, des solutions avancées doivent être investiguées pour maintenir la couverture à un niveau satisfaisant et dans le même temps il faut optimiser le temps pour établir le lien des faisceaux hertziens.

Le deuxième défi est de savoir comment calculer rapidement le CSI et de le transmettre rapidement à la station de base. Le calcul du CSI demande un temps minimal trop important pour le service URRLC. Bien que la rétroaction de l'information du CSI soit une étape importante pour assurer une communication fiable, lors de cette thèse, nous devrons étudier une solution pour résoudre ces problèmes.

Cette thèse aura donc les objectifs majeurs suivants :

1.Etudier le mécanisme pour établir une liaison rapide d'un faisceau analogique entre émetteur (Tx) et un récepteur (Rx) :

a.Fast beam pairing

b.Fast beam failure detection

c.Fast beam recovery

2.Etudier un nouveau précodage performant en terme de résilience et de latence, les études pourront être basées sur l'état de l'art concernant les transmissions FDD et TDD avec la connaissance ou non des caractéristiques du canal de propagation : Channel State Information (CSI)

·  Approche méthodologique-planning

·  étape 1: état de l'art incluant l'étude du standard NR du 3GPP, la validation du modèle de canal pour les bandes millimétriques, et l'analyse des précodeurs déjà retenus par le 3GPP
·  étape 2: étudier et proposer une gestion optimale (latence globale faible) de la formation de faisceaux. Etablir la méthode de calcul pour évaluer la latence associée à cette gestion de faisceau
·  étape 3: étudier le schéma de précodage optimal et analyser les performances obtenues.

department

Vous intègrerez l'équipe Connectivity Research and Modeling (CREM) du département Alternative Wireless technology Evolution (AWE) de la direction Radio Networks & Microwaves d'Orange Labs. Le département AWE a pour mission d'étudier l'évolution des technologies « wireless », et plus particulièrement le WiFi et les réseaux mobiles 5G.

Au sein d'AWE, l'équipe CREM est responsable pour Orange de la normalisation du WiFi à l'IEEE et contribue également à la normalisation de la 5G au 3GPP. L'équipe CREM est très active dans les projets européens de recherche sur la 5G (mmMAGIC, FANTASTIC 5G, One5G). Les études sur le WiFi adressent à la fois les scénarios du réseau domestique et du déchargement des réseaux cellulaires. Les études sur la 5G sont focalisées sur les techniques de codage et modulation pour une large gamme de fréquences, ainsi que sur l'optimisation énergétique d'une architecture multi-technologies.

·  Qu'est ce qui fait la valeur ajoutée de cette offre ?

Vous travaillerez au sein d'une entité à la pointe de l'innovation sur les technologies sans fil, avec des experts du domaine. Des échanges avec les délégués en normalisation permettront de bien ancrer le sujet dans l'actualité de la 5G et même d'alimenter des contributions dans les instances de standardisation telles que le 3GPP.

Références :

[1]Eko O. et al., “Modular and High-Resolution Channel State Information and Beam Management for 5G New Radio”, IEEE Com. Mag. 2018

[2]Larsson, Erik G., et al. "Massive MIMO for next generation wireless systems", IEEE Com. Mag. 2014

[3]Gao, Xiang, et al. "Massive MIMO in real propagation environments", IEEE Trans. Com. 2015

[4]Gao, Xiang, et al. "Linear pre-coding performance in measured very-large MIMO channels". Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2011 IEEE.

[5]Jose, Jubin, et al. "Pilot contamination problem in multi- cell TDD systems". Information Theory, 2009. ISIT 2009. IEEE International Symposium on. IEEE, 2009. 26

[6]3GPP 38.214

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