Smart 5G antennas are on their way: here at Orange, we’ve been ready for a long time. The next step has already been planned.

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The 5G mobile network will carry a thousand times more traffic in 2025 than in 2015.

Summary

Orange is getting ready to test the cell-site antennas that will make up the 5th generation (5G) mobile networks of tomorrow. What will be so special about them? They will be smart. Today, a cell-site antenna works like a lamppost. It sends out a signal and covers a wide area, without knowing the users’ localisation. The smartphone picks up this signal when it is in the coverage area. What’s more, it will only use a very small part of the whole of this signal. The 5G mobile network will support 1000 times more traffic in 2025 than in 2015. New antennas, known as smart antennas, have therefore been designed so as to only keep what is essential: the signal arriving in the right place and only at the right time. They will spend less energy while offering smartphones the same bit rate, or will offer a higher bit rate for the same energy spent. But for Orange, the smart antenna story doesn’t stop there. The smartphone is one thing… but what about the little smart watches, the cars, or the trains speeding along at 300 km/h, hidden by buildings or by the wilderness, in short, what about the tens of billions of smart objects that will be part of everyday life? With its partners from the TRIMARAN project then with European partners, Orange has developed some innovations for these uses, in particular by exploiting the physical principle of electromagnetic signal time reversal.

Le projet en quelques points

Dans les années 2020, la 5^ème génération (5G) des réseaux mobiles connectera des dizaines de milliards d’objets avec une diversité inédite : usines, voitures, lunettes, instruments médicaux, etc… Cette masse risque d’engendrer une dépense énergétique colossale. Or, l’alliance mondiale d’opérateurs pour la prochaine génération de réseaux mobiles (NGMN) déclare que « d’ici 10 ans, la 5G devrait supporter 1000 fois plus de trafic qu’aujourd’hui, avec une consommation d’énergie dans le réseau entier ne dépassant pas la moitié de la consommation typique des réseaux actuels ».

Certaines techniques révolutionnaires de transmission économes en énergie sont basées sur des antennes-relais « focalisantes ». Cependant, certains verrous technologiques limitent leur applicabilité aux smartphones en faible mobilité. Dès 2010, les chercheurs d’Orange pressentent le potentiel de ces technologies pour la 5G et rassemblent les partenaires du consortium de TRIMARAN pour lever ensemble ces verrous et produire des innovations majeures :

1. Les partenaires du projet totalisent plus de 20 brevets sur la focalisation par le Retournement Temporel et sur les antennes miniatures (Orange en a 14, ATOS 4, Institut Langevin 4 et INSA-Rennes 3)
2. 5 ans après, la focalisation est désormais extensible à des véhicules (TGV inclus), à de petits objets peu coûteux, aux communications sécurisées, au guidage, etc …
3. L’innovation pour les véhicules connectés est reconnue comme Most Promising Technical Approach for 5G au sein du projet Européen phare sur la 5G METIS
4. Le nouveau projet ANR SpatialModulation poursuit l’innovation sur les petits objets
5. La promotion des innovations continue via les projets Européens Horizon 2020 du 5G-PPP et la normalisation au 3GPP

Enfin, le prototype d’antennes focalisantes par Retournement Temporel réalisé par le projet fait l’objet d’articles de presse et de démonstrations dans 4 salons, dont celui du plus grand événement industriel mondial du domaine : le Mobile World Congress 2016.

Les partenaires associés au projet TRIMARAN

• Coordinateur
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• Time Reversal Communications, filiale du groupe

Les dates

• Démarrage: Janvier 2011.
• Durée: 39.5 mois (36 mois + extension)

Les financements et soutiens

est fiancé par et soutenu parsous le nom technique:
Time-Reversal MIMO OFDM Green communicAtions based on MicRo-structured Antennas

Les démos (certaines avec la dalle Luxondes) et articles grand public :

• Conférence expérimentale à L’Espace Pierre-Gilles de Gennes, novembre 2016.
  
• Article 01net avec manipulation expérimentale filmée, juin 2016.
• Article Echos Du Net avec photos de la manipulation expérimentale, juin 2016.
• Mobile World Congress 2016, février 2016.
• Article dans Le Monde, decembre 2015.
• Article dans ZDNet, decembre 2015.
• Orange Salon De la Recherche 2015, Décembre 2015.
• EuCNC 2015, Juin 2015.
• Inauguration de la Cité de l’Objet Connecté, Angers, 2015.
• Orange Salon De la Recherche 2014, Décembre 2014.

L’histoire du projet TRIMARAN en 3 chapitres

Chapitre I : avant 2010, les chercheurs d’Orange étudient la focalisation par Retournement Temporel des ondes électromagnétiques et identifient que c’est une technologie verte.

Ils observent l’expérience décrite ci-après.

Pendant une phase d’apprentissage illustrée ci-dessous, une première antenne (par exemple celle d’un téléphone) émet un « bip » dans une pièce, ce bip se réverbère sur les murs et les obstacles. Une autre antenne (par exemple un antenne-relais composée de 4 éléments intelligents et coordonnés) enregistre le bip reçu ainsi que ses échos de manière synchronisée, sur ses 4 éléments.

Puis, pendant une seconde phase de focalisation, l’antenne-relais émet le bip et ses échos qu’elle a enregistrés précédemment, en ordre inverse. Les chercheurs observent un signal concentré dans l’espace et le temps, c’est la focalisation spatio-temporelle par Retournement Temporel découverte par le Prof. M. Fink et son équipe au Laboratoire Onde et Acoustique dans les années 80, pour les ondes sonores/ultrasonores.

Ces tous premiers travaux (illustrés ci-dessous) sont publiés dans ‘Investigation of space-time focusing of time reversal using FDTD’, in Proc. IEEE MTT-S International Microwave Symposium digest. June 2009, par Hanae TERCHOUNE, David LAUTRU, Azeddine GATI, Man Faï WONG, Joe WIART and Victor FOUAD HANNA.

Voir les ondes en mouvement :

1. Cliquer ici pour voir le « bip » émit par le terminal, se propager et être réverbéré dans le milieu.
2. Cliquer ici pour voir le renversement du temps idéal (c’est-à-dire, si on pouvait tapisser les murs de capteurs enregistrant le bip et ses échos, et que ces capteurs pouvaient tous ré-émettre ce qu’ils ont reçu précédemment, mais en ordre inverse).
3. Cliquer ici pour voir le renversement du temps en pratique (c’est-à-dire, si seulement 4 capteurs enregistrent le bip et ses échos et rejouent le signal enregistré, à l’envers temporellement).

Comme illustré ci-dessous, la focalisation semble être une technologie prometteuse pour réduire la puissance nécessaire à émettre pour apporter un même débit à l’usager. En n’apportant l’énergie que là où c’est nécessaire, le réseau peut économiser de l’énergie.

Chapitre II : En 2010, les chercheurs d’Orange réunissent les partenaires du projet TRIMARAN pour plancher ensemble sur des réseaux mobiles du futur économes en énergie. L’ANR sélectionne et finance le projet qui démarre en janvier 2011.

Les partenaires sont tous des experts reconnus de la focalisation par Retournement Temporel, des antennes miniatures, ou du traitement de signal pour les communication sans fil. L’Institut Langevin a été fondé par le Prof. M. Fink.

L’Institut Langevin et ATOS conçoivent ensemble des antennes multi-port (à plusieurs éléments rayonnants) miniatures pour des objets (à gauche ci-dessous). Orange, Télécom Bretagne et Thalès, ensemble, les comparent à des petites antennes de l’état de l’art (au milieu ci-dessous) et montrent qu’elles sont plus robustes à des positions aléatoires grâce à des mesures de canal de propagation effectuées dans un appartement de test à Orange Labs Belfort (à droite ci-dessous) et des simulations.

Parallèlement, INSA-Rennes, développe en très peu de temps deux plateformes de focalisation par retournement temporel, pouvant piloter une antenne (à plusieurs éléments) conventionnelle ou les nouvelles antennes multiport minatures. Des données sont transmises, et on montre le signal au centre de la tache focale (net, avec peu d’échos et fort) et en dehors (embrouillé avec beaucoup d’échos, et faible), grâce à un oscilloscope.

Ensemble Orange, INSA et Thalès innovent en traitement du signal et montrent que la focalisation, en plus d’être économe en énergie, peut couvrir une grande diversité des futurs services offerts par les réseaux du futur.

D’une part, ils montrent que le Retournement Temporel permet de réduire la complexité du récepteur, en délivrant un signal quasiment sans écho, dans certaines conditions (à bas rapport signal sur bruit) et avec un nombre d’éléments rayonnants par antenne suffisant (typiquement 16). D’après les simulations, ceci est encore plus vrai quand le nombre d’éléments rayonnants est élevé. Expérimentalement, ils transmettent 240 Mbits/s en utilisant une bande de 30MHz, la 256 QAM, à un récepteur simple, qui ne peut fonctionner que s’il n’y a pas d’échos.

=> Connecter des petits objets en haut débit avec une technique de focalisation verte, c’est possible.

D’autre part, ils proposent une solution pour focaliser vers un véhicule qui se déplace vite. Cette innovation est d’ailleurs ensuite améliorée par Orange avec Uppsala University et Chalmers University of Technology. La figure ci-dessous illustre la qualité de service qui serait atteinte en ville, si on essayait de focaliser vers des voitures (Bleu c’est bien, rouge non). A cause du délai entre apprentissage et focalisation, le réseau « rate » la cible… surtout en dehors des bouchons.

Cliquer ici pour voir la version animée.

La figure ci-dessous illustre la qualité de service qui serait atteinte, si on essayait de focaliser vers des voitures, en utilisant l’innovation du projet TRIMARAN. On constate une nette amélioration.

Cliquer ici pour voir la version animée.

La figure ci-dessous illustre la qualité de service qui serait atteinte, en utilisant l’innovation du projet TRIMARAN améliorée par la suite dans le projet METIS 2020. C’est parfait.

Cliquer ici pour voir la version animée.

=> Connecter des véhicules en haut débit avec une technique de focalisation verte, c’est possible.

De nombreuses autres innovations (voir publications) sont proposées en lien avec des services et des applications variées pour 5G.

Chapitre III : A partir de 2012, via les projets Européens, TRIMARAN diffuse et améliore ses innovations pour la future 5G soit verte aussi quand elle sert des véhicules connectés, et les petits objets peu coûteux.

Parallèlement, à partir de 2012, l’Europe finance la Recherche sur la 5ème Géneration des réseaux mobiles, la 5G. Son projet phare sur la 5G s’appelle METIS 2020 et regroupe presque toute l’industrie (27 partenaires industriels et académiques en tout). Une des techniques candidates pour la 5G, appelée massive multiple-input multiple-output (MIMO), avec 64, 128 voire 256 éléments rayonnants par antenne est étudiée, pour apporter du haut débit de manière économe en énergie … aux smartphones sans mobilité. Ce même concept est étudié au niveau mondial par le consortium Greentouch sur les réseaux économes en énergie.

C’est le moment pour TRIMARAN de diffuser certaines de ses innovations dans ces projets ainsi que leurs suites. L’une d’entre elles notamment a été identifiée comme “Most Promising Technical Approach for 5G” au sein du projet METIS 2020, et continue d’être étudiée et promue au sein du projet 5G-PPP Fantastic 5G.

En 2015, le directeur de la Recherche, Nicolas Demassieux demande aux Chercheurs d’Orange de concevoir une démo « visuelle » et plus intuitive que… l’écran de l’oscilloscope. Orange commandera à la start-up Luxondes un dispositif unique au monde: une dalle permettant de visualisation en temps réel les ondes électromagnétiques qui la traversent. Elle leur permettra de vraiment montrer au grand public la focalisation et son potentiel pour réduire la consommation d’énergie des futurs réseaux 5G.

Pour voir la démo en vidéo : Article 01net avec manipulation expérimentale filmée, juin 2016.

Sur la photo ci-dessous, à l’aide de deux dalles placées perpendiculairement, on peut observer en 3D, une tache focale générée par le prototype de TRIMARAN.