MIMO (télécommunications)

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Différence entre SISO, SIMO, MISO et MIMO

Multiple-Input Multiple-Output ou MIMO (« entrées multiples, sorties multiples » en français) est une technique utilisée dans les réseaux sans fil et les réseaux mobiles permettant des transferts de données à plus longue portée et à plus grande vitesse qu’avec des antennes utilisant la technique SISO (Single-Input Single-Output).

Alors qu'une liaison Wi-Fi ou un réseau GSM standards utilisent une seule antenne au niveau de l'émetteur et du récepteur, MIMO utilise plusieurs antennes tant au niveau de l'émetteur (par exemple un routeur) que du récepteur (par exemple un PC portable ou un smartphone).

Historique[modifier | modifier le code]

Un brevet sur une méthode de communication sans-fil utilisant des antennes multiples a été déposé en 1984 par M. Jack Winters pour le compte de Bell Labs. En 1985, M. Jack Salz publia un article sur le MIMO basé sur les travaux de M. Winters. Par la suite, de 1986 à 1995, plusieurs auteurs ont rédigé des articles sur le sujet. En 1996, Greg Rayleigh et Gérard J. Foschini ont inventé de nouvelles approches accroissant l’efficacité du MIMO. Notamment, il a été démontré que la capacité du canal augmentait proportionnellement avec le nombre d’antennes.

Variantes[modifier | modifier le code]

Il existe plusieurs implémentations de MIMO qui diffèrent par la façon dont les données sont envoyées et par le nombre d'antennes utilisées au niveau de l'émetteur (généralement 2 à 8) ou du récepteur (2 à 4). Différents principes ont été mis en œuvre comme par exemple, en Wi-Fi avec le système de Beamforming d'Atheros, qui utilise deux antennes à l'émission et à la réception. Dans ces systèmes, les antennes d'émission sont alimentées par des signaux identiques, mais déphasés, de façon à concentrer l'énergie émise dans la direction du récepteur.

Bien que les différentes variantes de la technique MIMO ne soient pas liées à une norme, les produits Wi-Fi proposés dans le commerce sont compatibles avec la plupart des produits plus anciens conformes aux normes 802.11b (débit instantané : 11 Mb/s, portée : ~30 mètres, fréquence : 2,4 GHz) et 802.11a/802.11g (débit instantané : 54 Mb/s, portée : quelques dizaines de mètres, fréquence : 5 GHz ou 2,4 GHz), et ils peuvent donc en théorie coexister avec les produits compatibles avec les nouvelles normes WIFI utilisant le MIMO : 802.11n et 802.11ac.

Remarque : les débits donnés sont des maxima théoriques, les débits de transmission réels sont inférieurs et dépendent aussi du système de chiffrement utilisé pour protéger les données. La portée dépend des obstacles situés entre l'émetteur et le récepteur.

Principes[modifier | modifier le code]

Les technologies MIMO utilisent des réseaux d'antennes à l'émission et/ou à la réception afin d'améliorer la qualité du rapport signal sur bruit (Signal-to-noise ratio ou SNR en anglais) et / ou le débit de transmission. Cela permet ensuite de pouvoir diminuer le niveau d'émission des signaux radio afin de réduire la pollution électromagnétique environnante, mais aussi de prolonger la durée des batteries dans le cas d'un téléphone.

MIMO 2 antennes, diversité spatiale
Multiplexage spatial : 2 flux de données émis au même instant, sur la même fréquence

On peut considérer trois catégories de MIMO :

  • la diversité spatiale MIMO : on transmet simultanément un même message sur différentes antennes à l'émission. Les signaux reçus sur chacune des antennes de réception sont ensuite remis en phase et sommés de façon cohérente.

Cela permet d'augmenter le ratio S/B (grâce au gain de diversité) de la transmission. Pour que cette technique soit efficace, il faut que les sous-canaux MIMO soient décorrélés les uns des autres.

  • le multiplexage spatial MIMO : chaque message est découpé en sous-messages. On transmet simultanément les sous-messages différents sur chacune des antennes d'émission. Les signaux reçus sur les antennes de réception sont réassemblés pour reformer le message entier d'origine. Comme pour la diversité MIMO, les sous-canaux de propagation doivent être décorrélés.

Le multiplexage MIMO permet d'augmenter les débits de transmission (grâce au gain de multiplexage).

Les techniques de diversité et de multiplexage MIMO peuvent être conjointement appliquées. Par exemple pour un système MIMO 5 x 5 (c'est-à-dire 5 antennes d'émission et 5 antennes de réception), on peut configurer un sous-système MIMO 2 x 3 pour faire du multiplexage et un sous-système MIMO 3 x 3 pour faire de la diversité MIMO.

  • le MIMO - Beamforming : on utilise le réseau d'antenne MIMO pour orienter et contrôler le faisceau d'onde radio (amplitude et phase du faisceau). On peut ainsi créer des lobes constructifs / destructifs et optimiser une transmission entre l'émetteur et la cible. Les techniques de beamforming permettent à la fois d'étendre une couverture radio (d'une station de base ou d'un point d'accès par exemple) et de limiter les interférences entre utilisateurs et la pollution électromagnétique environnante (en ciblant le récepteur visé).

Utilisations[modifier | modifier le code]

La technologie MIMO est principalement utilisée dans les normes : Wifi (IEEE 802.11n), Wimax (IEEE 802.16e), et les normes de téléphonie mobile HSPA+ et LTE.

La Freebox v5 HD de l'opérateur ADSL Free utilise la technique MIMO pour transmettre la vidéo HD (remplacée par une liaison CPL en janvier 2008) entre ses deux boîtiers, ainsi que pour la liaison avec les ordinateurs.