Dans un système de réseau cellulaire, qu'il s'agisse de 4G LTE ou de 5G NR, le Multiple-input multiple output (MIMO) et l'agrégation de porteuses (CA) sont des technologies clés. Mais quelles sont leurs différences ?

L'agrégation de porteuses est une technologie très innovante introduite dans le réseau LTE Advanced, qui permet au réseau mobile de combiner plusieurs porteuses de fréquence en une seule pour augmenter la bande passante porteuse globale et ainsi apporter une augmentation plus significative du débit de données pour les utilisateurs de téléphones mobiles. Au début, les réseaux LTE basés sur 3GPP Release 8 ne supportaient pas l'agrégation de porteuses, mais les réseaux LTE supportent une configuration de bande passante flexible, ce qui signifie qu'ils peuvent utiliser des porteuses de fréquence avec différentes largeurs de bande, telles que 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz et 20 MHz.

La Release 10 de LTE-Advanced est la première version LTE à introduire l'agrégation de porteuses (continue intra-bande et inter-bande), prenant 5×20 MHz comme CA standard, mais cela ne concerne que deux opérateurs. La Release 12 de LTE-Advanced, introduite en 2012, prend en charge l'agrégation de porteuses non contiguës intra-bande. Elle supporte l'agrégation de jusqu'à 5 porteuses de fréquence avec une bande passante flexible, jusqu'à 100 MHz de bande passante. Même si une bande passante de 100 MHz est déjà impressionnante, le réseau LTE-Advanced Pro a apporté une configuration d'agrégation de porteuses de spécifications supérieures. Il vise à fournir un débit maximal allant jusqu'à 3 Gbps en liaison descendante, ce qui nécessite des tailles de porteuses plus grandes. La 3GPP Release 13 introduit le réseau LTE-Advanced Pro qui permet l'agrégation de porteuses jusqu'à 32 porteuses, atteignant une bande passante maximale de 640 MHz.

Bien que l'agrégation de porteuses soit une technologie clé déjà présente dans les réseaux LTE-Advanced, elle permet l'évolution du LTE pour atteindre un débit de données utilisateur supérieur à 1 Gbps. Cependant, dans les réseaux 5G, l'agrégation de porteuses supportera l'évolution vers la 5G multi-gigabit, le débit de données utilisateur atteignant environ 4 Gbps et plus.

Après avoir parlé de l'agrégation de porteuses, examinons ce qu'est exactement le MIMO.

Dans un réseau sans fil, deux nœuds sans fil communiquent pour envoyer et recevoir des données via un canal radio, et ce canal utilise un certain spectre sans fil. Mais dans de nombreuses régions, le spectre approprié est rare, et l'utilisation de plus de spectre est impraticable.

MIMO signifie Multiple Input Multiple Output. C'est une technologie d'antenne avancée qui peut augmenter la capacité sans augmenter le spectre, elle est donc largement adoptée par les réseaux 4G LTE, LTE-Advanced et LTE-Advanced Pro. Le MIMO améliore efficacement le débit de données et la qualité du signal grâce au multiplexage spatial, à la diversité d'antennes et à la formation de faisceaux.

Le MIMO se concentre sur le principe du multiplexage spatial en 4G LTE, ce qui signifie que la communication se produit via plusieurs antennes spatialement séparées (multiplexage par répartition spatiale). En même temps, le MIMO améliore également la qualité des signaux mobiles en minimisant les effets de l'évanouissement multitrajets grâce à la diversité d'antennes.

De plus, le MIMO bénéficie de la technologie de formation de faisceaux : plusieurs antennes transmettent des signaux au même récepteur afin que ce dernier puisse recevoir un signal plus fort. Les réseaux LTE utilisent différentes configurations MIMO pour la liaison descendante et la liaison montante, et les émetteurs comme les récepteurs doivent prendre en charge ces configurations.

Selon la 3GPP Release 8, le réseau LTE original prend en charge les configurations MIMO 4×4 en liaison descendante et 2×2 en liaison montante. La configuration de liaison descendante 4×4 signifie que quatre éléments d'antenne dans l'émetteur de la station de base envoient un signal au téléphone mobile, tandis que quatre éléments d'antenne dans le récepteur du téléphone mobile sont responsables de la réception du signal. La transmission en liaison montante s'effectue du téléphone mobile vers la station de base.

Les réseaux LTE-Advanced et LTE-Advanced Pro utilisent une configuration MIMO 8×8 en liaison descendante et 4×4 en liaison montante. En résumé, le MIMO et l'agrégation de porteuses jouent chacun leur rôle unique et crucial dans les réseaux cellulaires modernes, offrant conjointement aux utilisateurs une expérience de communication plus rapide et plus stable. Dans les réseaux 5G (NR), un MIMO avancé appelé Massive MIMO est adopté, qui utilise une configuration plus élevée et le MIMO multi-utilisateurs. Le Massive MIMO est devenu un facilitateur clé et un composant fondamental de la 5G ultra-rapide à ondes millimétriques.

Il n'y a pas de définition fixe pour déterminer le nombre d'antennes nécessaires pour être considéré comme Massive MIMO, mais les systèmes avec plus de 8×8 antennes sont généralement considérés comme des systèmes Massive MIMO, le nombre 8×8 désignant 8 antennes d'émission et 8 antennes de réception. En général, le MIMO, en tant que technologie d'antenne, a une emphase différente de celle de l'agrégation de porteuses.

L'agrégation de porteuses se concentre sur la combinaison des porteuses de fréquence, tandis que le MIMO augmente le débit de données pour les utilisateurs de téléphones mobiles en multiplexant spatialement les porteuses de fréquence existantes de manière plus efficace. L'agrégation de porteuses combine plusieurs porteuses de fréquence pour allouer une bande passante porteuse plus large aux téléphones mobiles. Mais le MIMO utilise un grand nombre d'éléments d'antenne à l'émetteur pour envoyer plusieurs flux de données parallèles au récepteur. Les récepteurs MIMO sont également équipés de plusieurs éléments d'antenne pour recevoir ces flux de données, et la sortie du dispositif utilisateur est créée en combinant les différents flux de données. De cette manière, chaque flux de données agit comme un canal virtuel entre la station de base et l'équipement utilisateur.