La gestion d’interférences est une fonction essentielle dans les systèmes de communications. La densification et la multiplication des standards de communication dans des bandes de fréquences de plus en plus proches augmente le niveau l’interférence. Par exemple, la présence d’un signal hors bande, passant à travers un circuit non-linéaire peut générer une interférence en-bande (spurious frequencies) [96], l’impact de ce type d’interférence peut être limité avec du filtrage fréquentiel. Dans notre contexte, de réseaux hétérogènes (présence de deux couches, une couche1 de macro-cellules et une couche de petites cellules) on s’intéresse à le gestion des
interférences en-bande. Ces interférences peuvent être classées en deux catégories [124, 85] : — Interférence intra-couche : présente entre deux cellules ou de même couche.
— Interférence inter-couches : présente entre deux cellules de couches différentes.
L’efficacité des techniques de gestion d’interférence dépend (entre autres paramètres) du type d’interférence traité, mais aussi des caractéristiques du réseau : déploiement (aléatoire/planifié, dense/parcimonieux), centralisé/distribué, disponibilité d’informations a priori (canal, posi- tions des autres cellules etc.), horloges des différentes cellules synchrones/asynchrone, tech- nique d’accès multiple etc. Selon ces différentes dépendances une classification des techniques est faite par [72, 124] en trois catégories :
— Prévention d’interférences (interference avoidance) : consiste à allouer les ressources (temps, fréquence, codes, espace, puissance) de manière orthogonale entre cellules. Appliquée à l’interférence inter-couches on peut par exemple partager les bandes de fréquences entre couches, néanmoins la ressource fréquentielle étant rare et coûteuse cette technique réduirait l’efficacité [124]. En CDMA (Code Division Multiple Access) il existe des techniques de sauts temporels (Time Hopping) pour réduire l’interférence intra-couche [124]. L’OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) dis- pose d’une flexibilité permettant une allocation orthogonale des sous-canaux et des time slots [97]. L’efficacité de ces techniques nécessitent une synchronisation et/ou une connaissance de l’état des cellules environnantes [97, 124]. De plus, elles sont sensibles au phénomène d’overwhelming interference, qui survient lorsque la densification dé- passe un seuil à partir duquel l’efficacité spectrale surfacique (area spectral efficiency) et la probabilité de couverture commencent à chuter. Ceci est équivalent à une forte probabilité que le RSIB soit inférieur à 0 dB [72].
— Coordination d’interférence (interference coordination) : quand différentes cellules peuvent s’échanger des informations à travers une interface centralisée2 il est possible
de coordonner leurs transmissions afin que l’interférence soit minimisée au niveau des récepteurs. Par exemple avec la technique ICIC (Inter-Cell Interference Coordination), on utilise une allocation de ressource conjointe entre petites cellules et macro-cellules. Ces dernières restreignent leur utilisation des sous-trames associées aux utilisateurs les plus touchés par l’interférence [77]. Avec la technique CoMP (Coordinated MultiPoint), on utilise un réseau d’antennes au niveau de chaque cellule et on coordonne leurs émis- sions afin qu’elles annulent mutuellement l’interférence aux niveau des utilisateurs [77].
1. Une couche du réseau étant définie comme un ensemble de cellules ayant les mêmes caractéristiques (rayon de couverture, puissance d’émission, méthode d’accès multiple etc.)
1.2. Gestion et annulation d’interférences 13 Ces techniques ont l’inconvénient de nécessiter un traitement centralisé qui devient complexe avec la densification. La remontée de l’information sur l’état des différentes cellules et les canaux associés entraînent un surcoût de signalisation [72] et peut causer la congestion du lien d’amenée (backhaul) [124].
— Annulation d’interférence (interference cancellation) : ces techniques consistent à re- construire le signal interférent et à le soustraire du signal reçu [72, 8]. D’un point de vue de la théorie de l’information, il a été montré qu’un signal interférent très fort ne réduit pas la capacité [30]. En effet, étant donné qu’il a un fort RSB, il peut être estimé avec une grande précision. Deux algorithmes d’annulation d’interférences qui sont souvent utilisés sont le SIC (Successive Interference Cancellation) et le PIC (Parallel Inter- ference Cancellation). Ils se distinguent par l’ordre dans lequel les différents signaux interférents sont soustraits des signaux des utilisateurs. Le SIC le fait séquentiellement, ce qui conduit à une latence et une complexité proportionnelles au nombre d’utilisa- teurs. Le PIC quant à lui effectue l’annulation d’interférences parallèlement sur tous les utilisateurs, répétée sur plusieurs étages. Ceci conduit à une latence et une complexité proportionnelles au nombre d’utilisateurs et d’étages. Ces algorithmes utilisent le do- maine temporel pour l’annulation d’interférences. Cette dernière peut se faire aussi dans le domaine fréquentiel ou spatial. L’utilisation d’un système multi-antenne permet une annulation des interférences dans le domaine spatial, par exemple avec de formation de voies (beamforming) [117]. Les approches d’annulation d’interférences nécessitent une bonne estimation du canal, et une large variance des puissances d’interférence [72]. Liu et al [72] ont montré que l’efficacité spectrale par unité de surface couverte assurée par le SIC diminue lorsque la variance de la puissance d’interférence diminue avec la densité.
Approche de gestion d’interférence utilisée dans cette thèse : Dans cette thèse, on se propose d’explorer les solutions d’annulation d’interférences intra-couche pour les réseaux de petites cellules (PCs). Plus spécifiquement on s’intéresse aux approches de formation de voies avec des réseaux d’antennes. En effet, la formation de voies est une fonctionnalité envisagée pour les PCs en 5G [4]. Sans faire d’hypothèses sur la structure du réseau ou de présence de techniques de gestion d’interférences dans les couches liaison et réseau, on souhaite évaluer l’apport d’un réseau d’antennes sur le niveau d’interférences et la capacité. En utilisant un réseau d’antennes au niveau de la station de base de la petite cellule (que l’on désignera sim- plement par PC dans la suite), l’objectif est de commander le diagramme de rayonnement, afin de mettre si possible des lobes en direction des signaux d’intérêt et des nuls en direction des signaux interférants. Ceci correspond à mettre de forts gains sur les signaux d’intérêt, et de faibles gains sur les signaux interférants. De plus, cela permet de partager toutes les ressources temps-fréquence entre cellules et ainsi augmenter la capacité du réseau. D’un point de vue des communications numériques, la formation de voies peut être vue comme un cas spécial des techniques multi-entrées multi-sorties (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) [25]. L’utilisa- tion d’un duplexage TDD présente des avantages aussi pour le MIMO. La réciprocité du canal peut y être exploitée afin d’estimer le canal que sur un seul lien (montant ou descendant) [24]. Aussi, le surcoût en signalisation nécessaire pour l’estimation de canal ne dépend que du nombre d’utilisateurs, ce qui implique qu’une augmentation du nombre d’antennes n’entraîne
pas d’augmentation du surcoût en signalisation.