La technologie des télécommunications se développe rapidement pour atteindre l'objectif d'une connectivité universelle, où que vous soyez dans le monde. Ce livre blanc analyse les tendances en matière de connectivité sans fil et les défis de design associés, ainsi que la manière dont les ingénieurs peuvent utiliser MATLAB® et Simulink® pour concevoir, modéliser, simuler et tester les réseaux de télécommunications modernes.
Les télécommunications permettent une connectivité Internet à haute vitesse, les appels téléphoniques mobiles et les connexions Internet of Things (IoT) dans les usines intelligentes. Cette connectivité universelle est rendue possible grâce à une large gamme de technologies de télécommunications, comprenant notamment les réseaux étendus mondiaux (liaisons par satellite), les réseaux étendus cellulaires (5G et 5G Advanced), les réseaux locaux Wi-Fi®et les réseaux personnels tels que Bluetooth® et ZigBee®.
Figure 1. La connectivité universelle est l'objectif des télécommunications, impliquant différents types de réseaux sans fil.
MATLAB et les toolboxes de télécommunications permettent aux ingénieurs de concevoir, modéliser, simuler, tester, valider et prototyper des systèmes de connectivité sans fil. Les ingénieurs en télécommunications peuvent utiliser ces produits pour générer et analyser des formes d'onde conformes aux normes, mesurer la performance au niveau des liaisons et créer des modèles de référence de qualité pour vérifier la conformité aux normes. Les workflows de développement incluent le prototypage des algorithmes d’émetteur-récepteur dans MATLAB ou en HDL, avec des plateformes de radio logicielle (SDR) appropriées. Les ingénieurs peuvent également simuler et analyser la coexistence entre de nombreux systèmes de télécommunications susceptibles d'interférer les uns avec les autres. Les fonctions de la toolbox sont entièrement personnalisables, permettant aux équipes d'accélérer les implémentations et d'explorer les dernières technologies satellite, 5G, WLAN et Bluetooth.
Dans les sections suivantes, nous explorerons diverses technologies de connectivité universelle ainsi que les normes, les ressources et les défis pertinents qui permettent aux ingénieurs de modéliser, simuler, analyser, concevoir et tester ces réseaux.
Connectivité cellulaire (de la 5G à la 5G Advanced jusqu'à la 6G)
L'organisme standard responsable des communications mobiles cellulaires est le 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Depuis le début de ce siècle, le 3GPP est responsable de la normalisation des systèmes et réseaux 3G, 4G (LTE), 5G et 5G Advanced. Récemment, le 3GPP a entrepris de normaliser la 6G, la prochaine génération de systèmes de communications mobiles.
Diagramme de rayonnement d'une antenne réseau terrestre.
La 5G NR est conçue pour supporter trois cas d’utilisation :
- Haut débit mobile amélioré : offre des vitesses de données et une capacité réseau nettement supérieures par rapport aux générations précédentes (LTE).
- Communications ultra-fiables à faible latence : visent à atteindre une réactivité en temps réel et une grande fiabilité, essentielles pour les applications critiques en matière de sécurité telles que la télémédecine, les villes intelligentes et les usines intelligentes.
- Communications massives de type machine : permettent des déploiements IoT à grande échelle avec des millions de dispositifs connectés.
La 5G Advanced va au-delà des cas d'utilisation offerts par la 5G et inclut les cas d'utilisation suivants :
- Connectivité universelle : L'intégration avec les réseaux satellitaires pour une couverture mondiale utilise des satellites et des plateformes à haute altitude afin d'étendre la couverture 5G aux zones éloignées et rurales, aux océans et à l'espace aérien.
- Détection et communication intégrées (ISAC) : Les réseaux peuvent simultanément communiquer et percevoir leur environnement, offrant une localisation et un pistage de haute précision.
- Intégration de l'intelligence artificielle (IA) et du Machine Learning : L'intelligence artificielle et le Machine Learning sont embarqués dans l'ensemble du réseau pour permettre une allocation dynamique des ressources, une optimisation prédictive et une adaptabilité en temps réel, rendant ainsi le réseau de télécommunications plus efficace.
Les systèmes 6G, actuellement en cours de développement, étendront les capacités de la 5G Advanced. L’ITU travaille sur le document IMT-2030 pour la prochaine génération de systèmes 6G, incluant des technologies telles que l'IA et les communications intégrées, l'ISAC, la couverture universelle avec des réseaux non terrestres (NTN) et le design de réseaux écoénergétiques.
Projecteur : 5G Toolbox
Simulez des liaisons et des systèmes 5G NR avec des formes d'onde basées sur les normes, mises à jour à chaque version 3GPP. Générez des formes d'onde, effectuez des simulations au niveau système, du test de conformité, et bien plus encore, le tout depuis MATLAB.
La 5G Toolbox supporte également les techniques d'optimisation des télécommunications pilotées par l'IA et inclut une bibliothèque d'exploration 6G pour le prototypage des technologies candidates de prochaine génération.
Le développement de systèmes et réseaux performants, pour la 5G Advanced et la 6G, est un défi et impose des exigences de design strictes pour répondre à leurs nouveaux cas d’usage. MATLAB et ses outils basés sur les normes, tels que 5G Toolbox™, peuvent être utilisés pour simuler au niveau liaison et système. Comme la 5G Toolbox suit les mises à jour des normes 5G à chaque version 3GPP, elle facilite les tâches de vérification du design et de test de conformité aux normes.
« La 6G explore la possibilité de remplacer des blocs entiers de la chaîne de traitement du signal, tels que l'estimation du canal et l'égalisation, par des modèles de Machine Learning entraînés. »
Intégration de l’IA native et du Machine Learning :
- La conception de la couche physique (PHY) doit intégrer l'IA et le Machine Learning afin d'améliorer les performances dans des domaines tels que l'estimation du canal, la gestion des faisceaux et l'optimisation du réseau. Contrairement à la 5G, qui utilise principalement l'IA pour l'optimisation, la 6G explore le remplacement de blocs entiers de la chaîne de traitement du signal, tels que l'estimation et l'égalisation de canal, par des modèles de Machine Learning entraînés. Cette approche vise à créer une couche physique entièrement native en intelligence artificielle.
- Approfondissez ces concepts en examinant les exemples MATLAB suivants :
Massive MIMO amélioré et sans cellule :
- Le design de systèmes Massive MIMO encore plus avancés nécessite la gestion de réseaux d’antennes plus étendus et d'algorithmes de beamforming plus complexes. La couche PHY doit gérer l'augmentation du traitement et de la surcharge de signalisation associée aux configurations d'antennes de dimension supérieure. Un autre domaine de développement prometteur est une architecture sans cellule proposée pour les systèmes 6G, où les utilisateurs se connectent simultanément à plusieurs points d'accès distribués.
- Approfondissez ces concepts en examinant les exemples MATLAB suivants :
ISAC :
- Les systèmes ISAC exigent que la couche PHY supporte simultanément les fonctions de communication et de détection précise. Cela signifie que les deux fonctions utilisent les mêmes formes d'onde, fonctionnent à la même fréquence et utilisent le même hardware sans dégrader les performances. ISAC est envisagé comme un composant central des systèmes 6G, visant à atteindre une précision au centimètre près pour le positionnement et une détection environnementale à haute résolution.
- Approfondissez ces concepts en examinant les exemples MATLAB suivants :
« Il y a actuellement plus de 8 000 satellites de communication en orbite autour de la Terre, servant des applications telles que la diffusion de télévision et de radio, la navigation, la télémétrie, l'imagerie et la télédétection, et ce nombre ne cesse d’augmenter. »
Les communications par satellite, et plus particulièrement les réseaux non terrestres (NTN), émergent comme des technologies clés pour une connectivité universelle. Il y a actuellement plus de 8 000 satellites de communication en orbite autour de la Terre, servant des applications telles que la diffusion de télévision et de radio, la navigation, la télémétrie, l'imagerie et la télédétection, et ce nombre ne cesse d’augmenter. Les satellites de communication relèvent généralement de l'une des trois classifications d’orbites suivantes : orbite géostationnaire (GEO), orbite terrestre moyenne (MEO) et orbite terrestre basse (LEO).
L'utilisation des constellations de satellites LEO pour la connectivité en télécommunications est une tendance émergente. Avec une altitude orbitale variant de 160 à 1 000 km au-dessus de la surface de la Terre, ces systèmes sont destinés à fournir une connectivité Internet à haute vitesse partout sur la planète. Par exemple, le système Starlink compte déjà des milliers de satellites en orbite, avec des plans pour en lancer des milliers d'autres.
Projecteur : Satellite Communications Toolbox
La Satellite Communications Toolbox de MathWorks propose des outils pour le design, la simulation et la vérification des systèmes de communications par satellite, couvrant la propagation orbitale, l'analyse du bilan de liaison et la génération de forme d'onde pour des normes telles que DVB-S2/S2X/RCS2, GPS, Galileo, NavIC et CCSDS.
Le déploiement des systèmes de communications par satellite est complexe, coûteux et comporte de nombreux risques. Des défis majeurs subsistent dans les domaines du lancement et du déploiement, de la sécurité et de la résilience, des modèles économiques et commerciaux, ainsi que des préoccupations environnementales. Dans la section suivante, les défis spécifiques à la communication sont présentés avec des exemples MATLAB pertinents illustrant leurs solutions :
Défi : Planification de mission et conformité réglementaire
- Sécurisation des créneaux orbitaux et des fréquences par l'intermédiaire de l’ITU et des régulateurs nationaux
- Coordination pour éviter les interférences avec les systèmes existants
Exemples MATLAB :
Défi : Design technique et intégration
- Bouclage du bilan de liaison en fonction des conditions atmosphériques variables, telles que l'atténuation due à la pluie et la scintillation, qui peuvent dégrader la puissance du signal.
- Gain élevé et un beamforming précis, assurés par les antennes, tout en respectant les contraintes de taille, de poids et de puissance.
- Complexité du payload (par exemple, processeurs numériques, architectures régénératives vs. bent-pipe)
- Liaisons inter-satellites et synchronisation/horodatage pour les grandes constellations
Exemples MATLAB :
Défi : Performance dans des environnements difficiles
- Atténuation atmosphérique dans les bandes supérieures (Ka, Q/V) et nécessité d'un codage/modulation adaptatif, d'un contrôle de la puissance en liaison montante et d'une diversité de site.
- Contraintes de latence vs sélection d'orbite (compromis LEO/MEO/GEO)
- Le Doppler et les transferts fréquents dans les réseaux LEO impliquent que le changement de faisceau et la planification des ressources sont essentiels pour maintenir une connectivité sans faille.
Exemples MATLAB :
Figure 2. La constellation de satellites LEO NTN dispose d'une fonctionnalité de routage inter-satellites.
Le Wi-Fi est la technologie de télécommunications la plus utilisée dans le monde. Les réseaux Wi-Fi offrent une connectivité Internet à domicile, au travail et lors de nos déplacements (dans les aéroports, les stades et autres lieux publics). Les réseaux Wi-Fi fonctionnent en connectant les dispositifs des utilisateurs à un routeur point d'accès (PA) conforme à la famille de normes IEEE 802.11. Ces normes de réseau local sans fil (WLAN) spécifient à la fois les couches PHY et de contrôle d'accès au support (MAC) du modèle OSI.
« Le Wi-Fi 8 (802.11bn) est conçu pour une fiabilité accrue, par exemple dans la production ou la chirurgie assistée par robot. Le Wi-Fi 7 (802.11be) propose des vitesses plus élevées et utilise des bandes passantes de fréquence plus larges. »
Les Wi-Fi 6, 7 et 8 font partie des dernières technologies WLAN conçues pour une connectivité Internet fiable et à haute vitesse.
- Le Wi-Fi 6 (802.11ax) offre des performances supérieures dans les environnements denses en utilisant plusieurs technologies d'accès telles que l'OFDMA et le MU-MIMO.
- Le Wi-Fi 7 (802.11be) est conçu pour des vitesses plus élevées et utilise des bandes de fréquence plus larges (jusqu'à 320 MHz), offrant des vitesses d'émission maximales allant jusqu'à 46 Gbit/s.
- Le Wi-Fi 8 (IEEE 802.11bn) est en cours de développement et privilégiera une fiabilité ultra-élevée, une latence réduite et des performances constantes.
Le développement de systèmes et de réseaux Wi-Fi performants présente des défis et impose des exigences en matière de fiabilité, de gestion de la congestion et de coexistence avec d'autres réseaux. Les ingénieurs peuvent utiliser MATLAB pour simuler nombre de ces scénarios complexes et explorer l’espace de design des solutions de gestion de ces situations.
Exemples MATLAB :
Défi : Coexistence Bluetooth-Wi-Fi
Les dispositifs Bluetooth dans la bande de fréquence 2,4 GHz et les dispositifs Bluetooth Low Energy (BLE) dans la bande 6 GHz peuvent interférer avec les réseaux Wi-Fi. Les interférences entre Bluetooth et WLAN peuvent être atténuées grâce à des mécanismes de coexistence non collaboratifs et collaboratifs.
- Les mécanismes de coexistence non collaboratifs n'échangent pas d'informations entre deux réseaux de télécommunications.
- Les mécanismes de coexistence collaboratifs collaborent et échangent des informations liées au réseau entre deux réseaux de télécommunications.
Exemples MATLAB :
Défi : Amélioration des performances dans les environnements congestionnés
Dans les environnements denses (tels que les stades et les centres de conférence), de nombreux dispositifs se connectent simultanément aux réseaux Wi-Fi. Cela peut diminuer la capacité totale du réseau et surcharger les allocations de ressources dans les points d'accès (PA). Les Wi-Fi 6, 7 et 8 utilisent plusieurs techniques empruntées à la technologie mobile cellulaire pour améliorer les performances avec une densité plus élevée d'utilisateurs et de dispositifs :
- Accès multiple par répartition orthogonale de la fréquence (OFDMA) : divise un canal en sous-canaux plus petits pour desservir plusieurs dispositifs simultanément.
- Multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) : permet à un point d'accès d'envoyer et de recevoir des données de plusieurs dispositifs en même temps et sur la même ressource de fréquence.
- Format basé sur le déclenchement en liaison montante : transfère le trafic en liaison montante d'un système Wi-Fi traditionnel non coordonné, basé sur la contention, à un système précisément coordonné et planifié.
- Qualité de service (QoS) : priorise les applications critiques telles que la voix et la visioconférence en utilisant les paramètres de QoS.
- Réutilisation spatiale avec marquage de l'ensemble de services de base (BSS)
Exemples MATLAB :
Défi : Interférence co-canal
Lorsque plusieurs stations Wi-Fi émettent sur la même fréquence, une interférence co-canal peut se produire, ce qui entraîne des collisions de paquets et une réduction des débits. Les ingénieurs en télécommunications peuvent réduire les interférences en utilisant :
- Émission en liaison montante basée sur un déclencheur offrant une planification coordonnée pour chaque dispositif
- Antennes directionnelles (MU-MIMO) pour concentrer les signaux Wi-Fi là où ils sont nécessaires
- Bandes passantes de canal réduites
- Planification de canal pour des canaux sans chevauchement dans la bande 2,4 GHz
Exemples MATLAB :
Autres fonctionnalités Wi-Fi :
Détection par Wi-Fi
Intégration avec l’IA
Adoption des réseaux maillés
Accélérer l'ingénierie des télécommunications avec MATLAB et Simulink
MathWorks s'engage à accélérer le rythme de l'ingénierie et de la science. Pour les ingénieurs en télécommunications, MATLAB et Simulink permettent de concevoir des systèmes de télécommunications plus rapidement et plus efficacement grâce aux outils de modélisation, de simulation, de test et d'implémentation.
Chaque toolbox et produit mentionné dans le rapport est maintenu en conformité avec les dernières normes de l'industrie. Que vous réalisiez le prototypage d’un récepteur 6G IA natif ou validiez un design Bluetooth 6, les produits MathWorks comblent le fossé entre le concept et le hardware.
Le Bluetooth est une technologie de télécommunications à courte portée utilisée pour l'échange de données entre dispositifs sur de courtes distances. La norme Bluetooth est conçue par le Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG). La version Bluetooth 6, annoncé en 2024, a introduit des technologies telles que le sondage de canal, qui peut fournir des estimations de portée extrêmement précises entre les nœuds Bluetooth.
Spectre et spectrogramme de la coexistence Bluetooth/WLAN.
La norme Bluetooth Classic spécifie deux modes PHY : le débit de base (BR) et le débit de données amélioré (EDR). La norme BLE se concentre sur des applications dans des secteurs tels que la santé, le fitness, la sécurité et le divertissement à domicile. Les systèmes Bluetooth peuvent effectuer une localisation en utilisant des technologies telles que la triangulation et la trilatération.
La section suivante décrit les principaux défis liés au déploiement des dispositifs et réseaux Bluetooth, ainsi que des exemples MATLAB pertinents qui répondent à ces défis.
Défi : Planification radio et coexistence
- La bande sans licence 2,4 GHz est encombrée par les signaux Wi-Fi, micro-ondes et Zigbee, ce qui engendre des interférences, des trajets multiples et des conflits de cycle de service.
- Le saut de fréquence adaptatif (AFH) est utile, mais les environnements RF denses dégradent toujours le débit, la latence et la fiabilité.
- Le désaccord de l'antenne dû aux boîtiers ou à la proximité humaine peut réduire la portée ; une disposition RF soignée, un dégagement au sol et un réglage précis sont essentiels.
Exemples MATLAB :
Défi : Topologie, évolutivité et performance
- Les piconets Bluetooth classiques (BR/EDR) ont un nombre limité de connexions actives ; la planification des liaisons ACL (asynchronous connection-oriented logical transport) peut devenir un goulot d'étranglement.
- Les limites de connexion à faible consommation par passerelle/téléphone et les contraintes d'intervalle de connexion restreignent l'échelle et la réactivité.
- Le maillage Bluetooth peut s'étendre à des milliers de nœuds, mais la diffusion gérée augmente le temps d’émission, les collisions et la consommation de batterie ; une configuration minutieuse du temps de vie (TTL), du relais et des nœuds amis/nœuds à faible consommation est nécessaire.
Exemples MATLAB :
Défi : Localisation
- Instabilité de l'indicateur de puissance du signal reçu (RSSI)
- Exigence angulaire pour les réseaux d'antennes
- Synchronisation et étalonnage en amplitude, phase et temps
- Interférence et disponibilité des canaux
Exemples MATLAB :
Figure 3. Le sondage de canal Bluetooth est utilisé pour le suivi des actifs, affichant le chemin de l'actif ainsi que les notes du localisateur Bluetooth (triangles bleus et jaunes).
La section suivante présente les principaux défis dans le design d’émetteurs-récepteurs conformes aux normes pour les systèmes de télécommunications, ainsi que des exemples MATLAB pertinents qui répondent à ces défis.
Caractéristiques AM/AM d'un amplificateur non linéaire.
EVM en fonction du temps et de la fréquence pour une capture de forme d'onde 5G over-the-air.
Défi : Garantir la conformité aux protocoles standard pour l'interopérabilité des systèmes et des dispositifs
- Cela peut nécessiter que les concepteurs d'algorithmes et les testeurs de puces obtiennent des formes d'onde conformes aux normes, à la fois altérées et non altérées, afin de tester les designs de récepteurs ou de stimuler les puces réceptrices.
- Cela peut également nécessiter des bancs d'essai de mesure pour des grandeurs telles que l'amplitude du vecteur d'erreur (EVM), le rapport de puissance du canal adjacent (ACPR) et le taux d'erreur de paquet (PER).
Exemples MATLAB :
Défi : Optimiser les paramètres des systèmes multidomaines en intégrant les choix de design des algorithmes, des antennes, des réseaux et des émetteurs-récepteurs RF
- Cela nécessite des études de compromis sur les tailles des réseaux, les types d'éléments du réseau et le couplage des éléments, car cela influent sur le décalage de faisceau, les limites de non-linéarité des amplificateurs de puissance élevée (HPA), le facteur de bruit des amplificateurs à faible bruit (LNA) et les niveaux de désadaptation d'impédance.
- Cela peut également nécessiter des choix de design concernant les schémas de modulation et les codes de contrôle d'erreur.
Exemples MATLAB :
Défi : Vérifier les designs sur des prototypes hardware avec des tests over-the-air automatisés et des modèles réalistes de canal et d'imperfections
- Dès les premières étapes du design, cela nécessite une connectivité entre les dispositifs de capture de forme d’onde, tels que les SDR, et le logiciel utilisé pour prototyper les algorithmes de récepteur.
- Dans les phases ultérieures du design, cela pourrait nécessiter le déploiement de code en langage de description matérielle (HDL) sur des réseaux logiques programmables (FPGA).
Exemples MATLAB :
Figure 4. Les étapes du workflow en télécommunications couvrent les normes de télécommunications, la simulation antenne-vers-bits, ainsi que l’implémentation et le test des dispositifs.
À mesure que le monde progresse vers une connectivité universelle, de la 5G Advanced à la 6G et au-delà, la convergence des technologies cellulaires, satellitaires, Wi-Fi et Bluetooth crée un écosystème de communication mondiale unifiée. Ce livre blanc a exploré les technologies clés, les normes et les défis qui définissent ce paysage, tout en démontrant comment MATLAB et Simulink constituent des outils essentiels pour le design, la simulation et la validation de ces systèmes de télécommunications complexes.
