Un meilleur partage du réseau avec NOMA

L’accroissement du nombre de machines connectées va engendrer un encombrement des fréquences disponibles pour la circulation des données. Le NOMA est une des techniques actuellement étudiées pour améliorer la capacité d’accueil des réseaux et éviter leur saturation.

 

 

Afin d’accéder à internet, un téléphone mobile doit échanger des informations avec des stations de bases, des dispositifs couramment appelés antennes-relais. Ces échanges d’informations s’opèrent par les sous-bandes de fréquences, des voies propres à chaque station de base. Pour accueillir les multiples utilisateurs d’appareils connectés, une voie est attribuée à chaque utilisateur. Avec l’accroissement du nombre d’objets connectés, il n’y aura plus assez de sous-bandes disponibles pour tous les accueillir.

Pour pallier ce problème, Catherine Douillard et Charbel Abdel Nour, chercheuse et chercheur en télécommunications à IMT Atlantique, travaillent sur le NOMA (Non Orthogonal Multiple Access) : un système qui dispose plusieurs utilisateurs sur la même voie à l’inverse du système actuel.  « Plutôt que d’attribuer une bande de fréquence à chaque utilisateur, les signaux des appareils se superposent sur la même bande de fréquence », explique Catherine Douillard.

Partager les ressources

« L’idée de base du NOMA consiste à faire fonctionner une seule antenne pour servir plusieurs utilisateurs au même moment », indique Charbel Abdel Nour. Et pour aller plus loin encore, les chercheurs travaillent sur le Power-Domain NOMA, « une approche qui vise à séparer les utilisateurs qui partagent une même bande de fréquences sur une ou plusieurs antennes par leur puissance d’émission », complète Catherine Douillard. Ce dispositif permet de fournir un accès plus équitable entre les utilisateurs aux ressources spectrales et aux antennes disponibles. Typiquement, quand un appareil rencontrera des difficultés à accéder au réseau, il pourra prétendre à une ressource déjà occupée par un autre utilisateur. Cependant, la puissance d’émission par les antennes sera adaptée pour que les informations envoyées par l’appareil arrivent à destination tout en limitant les « nuisances » à l’encontre de l’utilisateur.

La superposition de plusieurs usagers sur une même ressource engendre des problèmes d’accès à celle-ci. Pour que la communication fonctionne, il faut que les signaux émis par les machines soient reçus à des puissances suffisamment différentes afin que les antennes puissent les identifier. Si les puissances des signaux sont similaires, les antennes vont les confondre. Cela peut générer des interférences, autrement dit : des phénomènes de brouillage de l’information qui peuvent empêcher la lecture fluide d’une vidéo ou le déroulé d’une partie de jeu en ligne.

Les interférences : un problème intrinsèque au NOMA

Pour éviter les interférences, les récepteurs sont munis de décodeurs qui discriminent les signaux en fonction de leur qualité de réception. Lorsque l’antenne reçoit les signaux, elle identifie le signal avec la meilleure qualité de réception et arrive alors à l’extraire du signal reçu. Elle arrive par la suite à récupérer le signal de moindre qualité. Une fois que les signaux sont identifiés, la station de base leur donne chacun accès au réseau. « Cette façon de traiter les interférences est assez simple à mettre en place dans le cas de deux signaux mais l’est beaucoup moins dans le cas où ils sont nombreux », pointe Catherine Douillard.

 « Pour traiter les interférences, il existe deux principales possibilités », explique Charbel Abdel Nour. « L’une d’elles consiste à annuler l’interférence, ou en d’autres termes, à ce que les récepteurs des appareils détectent les signaux qui ne leur sont pas destinés et les suppriment pour ne garder que ceux qui leurs sont adressés », ajoute le chercheur. Une approche qui peut être facilitée par des modèles d’interférences notamment étudiés à IMT Nord Europe. La deuxième solution consiste à faire collaborer les antennes entre elles. En s’échangeant des informations sur la qualité des liens, elles peuvent mettre en œuvre des algorithmes pour déterminer quels appareils doivent être servis en NOMA tout en évitant que leurs signaux interfèrent.

Une allocation intelligente

« Nous essayons de faire en sorte que les techniques d’allocation de ressources s’adaptent aux besoins des utilisateurs tout en ajustant, sans excès, la puissance dont ils ont besoin », déclare Charbel Abdel Nour. En fonction du nombre d’usagers et des applications qu’ils utilisent, le nombre d’antennes en jeu varie. Si beaucoup de machines tentent d’accéder au réseau, plusieurs antennes peuvent les servir en même temps. Dans une situation contraire, une seule antenne pourrait suffire.

Grâce à des algorithmes, les stations de base apprennent à reconnaître différentes caractéristiques des appareils comme les types d’applications utilisées au moment où l’appareil est connecté. Cela permet d’adapter l’intensité du signal émis par les antennes afin de servir les usagers correctement. Par exemple un service de streaming nécessitera un débit plus élevé et donc une puissance d’émission plus forte qu’une application de messagerie.

« Un des enjeux est de concevoir des algorithmes performants qui consomment peu de ressources énergétiques », explique Charbel Abdel Nour. L’objectif visé à travers la réduction des dépenses énergétiques est de ne pas générer des coûts d’exploitation plus élevés que ceux de l’architecture réseau actuelle, tout en permettant d’augmenter significativement le nombre d’utilisateurs connectés. NOMA et d’autres études sur les interférences s’inscrivent dans une perspective d’augmentation de la capacité d’accueil des réseaux. Avec notamment le développement de l’internet des objets, ces travaux s’avèrent nécessaires pour éviter des embouteillages d’informations en circulation.

 

Rémy Fauvel