MESANGES
Metasurface-based Electronically Steerable Antenna arrays for Next Generation EHF Systems
L’utilisation du spectre dans les bandes millimétriques devient incontournable pour permettre aux futurs réseaux sans fil d’offrir des gains de capacité significatifs. Toutefois les pertes de propagation devenant importantes, l’antenne et la formation de faisceaux deviennent des éléments clés pour maintenir une portée et des couts d’infrastructures raisonnables. Les solutions de réseaux d’antennes à commande de phase nécessitent un très grand nombre de chaînes RF et deviennent alors couteuses. Le projet a comme ambition de développer des solutions alternatives innovantes à base de métasurfaces reconfigurables. Les travaux cibleront 3 axes de recherche : la réalisation pratique de telles antennes dans les bandes EHF, les solutions techniques et algorithmiques permettant à l’antenne d’adresser simultanément plusieurs utilisateurs, et la reconfiguration rapide des faisceaux adaptés au canal radio.
Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le projet précisera d’abord les scenarios et usages, mettra en avant les contraintes du canal radio dans la bande millimétrique, et fournira des recommandations sur le design d’antennes mettant en œuvre des métasurfaces. Ces travaux seront menés dans le lot 1 durant les 6 premiers mois.
Le lot 2 se concentre sur le design d’antennes orientables électroniquement basées sur un tableau de cellules unitaires ayant la possibilité de réfléchir/transmettre des ondes incidentes provenant de la (des) source(s) avec un déphasage dans un ensemble prédéfini comprenant un déphasage nul. Pour assurer la reconfigurabilité de ces cellules unitaires, un système de contrôle sera défini et mis en œuvre. Deux prototypes seront mis en œuvre dans le WP2 : tout d’abord, un système antennaire complet, comprenant un transmetteur à commande électronique, les systèmes focaux multi-éléments et la commande numérique. Il sera conçu, optimisé, fabriqué et entièrement caractérisé par le CEA Leti dans la bande 26-28 GHz. Le système d’antenne sera capable de générer au moins quatre faisceaux indépendants. Des métasurfaces codées pour les ondes centimétriques et millimétriques sont actuellement développées dans le groupe DOME de l’IEMN. Dans le cadre d’un partenariat avec la DGA, l’objectif principal a été de proposer des structures artificielles pour la réduction de la section transversale du radar. Dans ce projet, en alternative aux substrats absorbants étudiés précédemment dans le groupe, l’idée est de dévier le faisceau incident dans une ou plusieurs directions hors de la portée du détecteur. Cette approche peut également être utilisée pour sélectionner la direction de réflexion du faisceau. Le groupe CSAM de l’IEMN apportera son expertise sur les structures accordables en ondes millimétriques basées sur des dispositifs de commutations à semi-conducteurs. La caractérisation du « reflectarray » sera réalisée à la plateforme télécom de l’institut IRCICA. Dans ce but, la chambre anéchoïque à 60 GHz, déjà disponible à l’IRICA, sera complétée avec une plateforme de contrôle Newport permettant un contrôle angulaire précis.
Dans le lot 3, la formation de faisceau sera étudiée pour les cas mono et multiutilisateurs, supposant la possibilité de plus d’un flux par utilisateur. L’optimisation de la grille de cellules unitaires peut être réalisée soit offline en utilisant des ensembles de codes prédéfinis, soit dynamiquement en appliquant des algorithmes comme l’Optimisation par essaim de particules, algorithmes génétiques, ou des approches deep learning. Le CNAM et Orange apporteront leur expertise dans ce domaine et mettront en œuvre ces algorithmes.
Une évaluation des performances des prototypes et des algorithmes de formation de faisceau sera réalisée dans un environnement réel dans le lot 4 grâce à un sondeur de canal, ou une approche SDR. Ce lot sera piloté par Orange avec des contributions de l’ensemble des partenaires, afin d’assurer une exploitation des résultats du projet MESANGES dans de futurs réseaux 5G+ et 6G.
The use of spectrum in millimeter bands is becoming essential to enable future wireless networks to offer significant capacity gains. However, as propagation losses become significant, antenna and beam formation become key elements in maintaining a reasonable range and limited infrastructure costs. Phased array antenna solutions require a very large number of RF chains and are expensive. The project aims to develop innovative alternative solutions based on reconfigurable metasurfaces. The work will focus on three areas of research: the practical implementation of such antennas in the EHF bands, technical and algorithmic solutions enabling the antennas to address several users simultaneously, and the rapid reconfiguration of the beams adapted to the radio channel.
To reach the aforementioned objectives, the project will first precise scenarios and usages, highlight
mmWave radio channel constraints, and provide recommendations on metasurface based antenna design. This will be performed in WP1 during the first 6 months. WP2 addresses the design of electronically steerable antennas based on an array of unit cells having the possibility to reflect/transmit impinging waves from the feeder(s) with a phase shift in a predefined set including zero phase shift. To ensure reconfigurability of these unit cells, a control system will be defined and implemented. Unit cells will be optimized so that their phase shift remains within a given percentage of its nominal values over the bandwidth of interest. Two prototypes will be implemented in WP2: first a full antenna system including an electronically controlled transmitarray, the multi-element focal systems and the digital control will be designed, optimized, fabricated and fully characterized by CEA Leti in the 26-28 GHz band. The antenna system will be able to generate at least four independent beams. The know-how of CEA Leti on transmitarrays is almost unique and has been mostly developed during a long collaboration with the IETR antenna team.
Coding metasurface for cmWave and mmWave are currently developed in DOME group at IEMN. In the framework of a partnership with DGA, the main goal has been to propose artificial structures for Radar Cross Section reduction. In this project, as an alternative to absorbing layers previously studied in the group, the idea is to deviate the incident beam in one or several directions out of the detector spatial range. This approach can also be used to select the beam reflection direction. Regarding the size reduction inherent to frequency increase up to 60 GHz, an external company (INODESIGN) will be in charge of the fabrication. CSAM group of IEMN will bring its expertise in mmWave tune able structures using semi-conductor switching devices. The characterization of the reflectarray will be carried out at the telecom platform of IRCICA institute. To this aim, the 60 GHz anechoic chamber, already available at IRCICA, will be completed with a Newport monitored platform allowing an accurate angular control.
In WP3, BF will be studied for both single and multi-user cases assuming possibly more than one stream per user. The optimization of the grid can be performed off line using predefined codebooks or dynamically by applying algorithms such as particle swarm optimization (PSO), genetic algorithm (GA), or deep learning (DL) approaches. The CNAM and Orange will provide their expertise in that domain to design and implement these algorithms.
Performance evaluation of the prototypes and BF algorithms will be performed in a real environment in WP4 with channel sounder, or an SDR approach. This WP will be led by Orange, with contributions of all the partners, to ensure an efficient exploitation of MESANGES results in 5G+ and 6G networks.