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Chercheur à EURECOM, David Gesbert est un des pionniers de la technologie MIMO, utilisée aujourd’hui dans de nombreux systèmes de télécommunications sans fil. Il a contribué à l’essor des technologies wifi, 3G, 4G, 5G, et explore aujourd’hui ce que pourrait être la 6G de demain. Pour l’ensemble de ses travaux, David Gesbert reçoit le Grand prix IMT-Académie des sciences.
« J’ai toujours été intéressé par la recherche dans le domaine des télécommunications. J’étais fasciné par le fait que des modèles mathématiques puissent être convertis en algorithmes utilisés pour faire fonctionner des objets de la vie courante », déclare David Gesbert, chercheur spécialiste des systèmes de télécommunications sans fil à EURECOM. Depuis la fin de ses études en 1997, David Gesbert travaille sur le MIMO, ou multi-input-multi-output : un système de télécommunication qui a vu le jour dans les années 1990. Cette technologie permettant de transférer des flux de données à haut débit est basée sur la coopération entre les antennes des émetteurs et des terminaux, tels que les téléphones. Au lieu d’exploiter un seul canal pour envoyer des informations, un émetteur va utiliser plusieurs canaux spatiaux en même temps. Les données sont ainsi transférées plus rapidement vers le récepteur. Cette spatialisation de l’information a constitué un point de rupture avec des modes de télécommunications précédents comme le GSM (Global System for Mobile Communications).
Cette innovation s’est avérée importante puisque le MIMO est désormais largement utilisé dans les systèmes wifi et dans plusieurs générations de réseaux de téléphonie mobiles, comme la 4G et la 5G. Après avoir reçu son doctorat à l’École nationale supérieure des télécommunications en 1997, David Gesbert effectue pendant deux ans un post-doctorat à l’Université de Stanford. Il y intègre le laboratoire de télécommunication dirigé par le professeur émérite Arogyaswami Paulraj, un ingénieur ayant travaillé sur la conception du MIMO. Au début des années 2000, les deux scientifiques, accompagnés de deux étudiants, lancent la startup Iospan Wireless. Ils y développent le premier modem sans fil à très haut débit basé sur la technologie MIMO-OFDM.
L’OFDM : Orthogonal frequency-division multiplexing
L’OFDM est un procédé qui, en divisant un flux de données à haut débit en de nombreux flux de données à faible débit, augmente la qualité de la communication. En combinant ce dispositif avec le MIMO, il est possible de transférer des données à hauts débits en rendant les informations générées par le MIMO plus robustes face aux distorsions radio. « Ces caractéristiques lui ont valu d’être utilisé pour déployer des systèmes de télécommunication comme la 4G et la 5G », ajoute le chercheur.
En 2001 David Gesbert s’installe en Norvège où il enseigne pendant deux ans en tant que professeur adjoint au département d’informatique de l’université d’Oslo. Un an plus tard il publie un article dans lequel il décrit que les environnements de propagation complexes favorisent le fonctionnement du MIMO. « Cela signifie que plus il y a d’obstacles dans un lieu, plus les ondes générées par les antennes sont réfléchies. Les ondes effectuent alors des trajets différents et les interférences sont réduites, ce qui conduit à un transfert de données plus efficace. Un environnement urbain dans lequel il y a de nombreux immeubles, voitures, et autres objets sera ainsi plus favorable au fonctionnement du MIMO qu’un lieu désertique », explique l’expert des télécommunications.
En 2003, il intègre EURECOM où il devient professeur et cinq ans plus tard, chef du département Communications mobiles. Il y poursuit ses travaux visant à améliorer le MIMO. Ses recherches lui permettent de comprendre que les stations de base — aussi appelées antennes relais — présentent un certain intérêt pour augmenter les performances de ce dispositif. En sollicitant les antennes de plusieurs stations relais distantes les unes des autres, il serait possible de les mettre en coopération pour produire un système MIMO géant. Cela conduirait à la suppression des problèmes d’interférence et à l’optimisation de la circulation des flux de données. Aujourd’hui encore, des recherches sont menées pour rendre ce dispositif exploitable.
MIMO et robots
En 2015, David Gesbert obtient une bourse ERC Advanced Grant pour son projet PERFUME. Cette initiative, qui tire son nom de high PERfomance FUture Mobile nEtworking, part du constat que « le nombre de terminaux utilisés par les humains et les machines est actuellement en augmentation. Au cours des prochaines années, ces terminaux seront de plus en plus connectés aux réseaux », soutient le chercheur. L’objectif de PERFUME est d’exploiter les ressources informationnelles des terminaux pour qu’ils coopèrent afin d’améliorer leurs performances. Le principe du MIMO est au cœur de ce projet : spatialiser l’information et utiliser plusieurs canaux pour transmettre des données. Pour atteindre ce but, David Gesbert et son équipe ont mis au point des stations de bases fixées sur des drones. Ces prototypes utilisent des systèmes d’intelligence artificielle pour communiquer entre eux afin de choisir quelle bande de fréquence utiliser ou à quel endroit se placer pour donner à l’utilisateur un accès optimal au réseau. Les drones relais peuvent aussi être utilisés en extension de couverture radio. Cela pourrait par exemple être utile à une personne perdue en montagne, éloignée des antennes relais, ou sur des sites de catastrophes naturelles dont l’infrastructure réseau a été détruite.
Dans le cadre de ce travail, le professeur d’EURECOM et son équipe ont mené des recherches sur les algorithmes de prise de décision. Leurs études les ont conduits à développer des réseaux de neurones artificiels pour améliorer les processus de prises de décisions effectuées par les terminaux ou les stations de base qui souhaitent coopérer entre eux. Avec ces réseaux de neurones, les dispositifs sont capables de quantifier et exploiter les informations détenues par chacun d’eux. Selon David Gesbert « Cela permettra aux terminaux ou aux stations possédant le plus d’informations de corriger les défauts du terminal qui en possède le moins. Cette notion est un enseignement fondamental du projet PERFUME, clôturé fin 2020 . Elle indique que pour coopérer, des agents comme des terminaux radio ou des stations relais, prennent des décisions sur la base d’informations bruitées qui doivent parfois être rejetées pour se laisser guider par les décisions d’agents disposant de meilleurs informations qu’eux. C’est un résultat surprenant et un peu contre-intuitif.
Vers la 6e génération de technologie de télécommunications mobiles
« Aujourd’hui deux grandes lignes sont étudiées concernant le développement de la 6G », annonce David Gesbert. La première concerne les moyens pouvant rendre les réseaux plus économes en énergie en réduisant le nombre de fois où des transmissions ont lieu, en restreignant la quantité d’ondes radio émises et en diminuant les interférences. L’une des solutions pour atteindre ces objectifs est l’utilisation de l’intelligence artificielle. « Celle-ci permettrait d’optimiser l’allocation des ressources et d’utiliser les ondes radio de la façon la plus sage possible », ajoute l’expert.
La seconde ligne concerne les finalités des ondes radios autres que la communication de l’information. Un des usages possibles est l’utilisation de ces ondes pour produire de l’imagerie. Sachant que lorsqu’une onde est transmise, elle se réfléchit sur un grand nombre d’obstacles, une intelligence artificielle pourrait analyser son parcours pour cartographier la position des obstacles et établir la carte de l’environnement physique du terminal. Cela pourrait par exemple amener les voitures autonomes à se repérer plus finement. Avec la 5G la précision cible pour localiser une position est de l’ordre du mètre, la 6G devra permettre d’établir une précision de l’ordre du centimètre, ce pour quoi ces techniques d’imagerie radio pourraient être utiles. Si cette 6e génération de réseau de télécommunications mobiles va devoir relever de nouveaux défis tels que l’économie énergétique et le positionnement de haute précision, il semble clair que la spatialisation de la communication et le MIMO continueront d’y jouer un rôle fondamental.
Rémy Fauvel
Excellent article résumant les principes , les avantages et les champs d’application de la technique MIMO sans la moindre équation (alors qu’un grand nombre s’avère nécessaire pour formaliser, rendre exploitable et « implémentable » dans la circuiterie électronique cette nouvelle technologie.