Une nouvelle approche de l'utilisation des réseaux de neurones pour la pré-distorsion numérique de faible puissance dans les systèmes mmWave

Dans une étude publiée dans la revue IEICE Électronique Expressles chercheurs présentent une pré-distorsion numérique (DPD) de réseau neuronal pour les RF-PA mmWave.

Dans le monde qui nous entoure, une évolution discrète mais très importante s’est produite dans le domaine de l’ingénierie au cours des dernières décennies. À mesure que la technologie évolue, il devient de plus en plus évident que la construction d’appareils physiquement aussi proches que possible de la perfection n’est pas toujours la bonne approche. En effet, cela conduit souvent à des conceptions très coûteuses, complexes à construire et gourmandes en énergie.

Les ingénieurs, en particulier les ingénieurs en électronique, sont devenus experts dans l’utilisation de dispositifs très imparfaits de manière à leur permettre de se comporter suffisamment près du cas idéal pour être appliqués avec succès. Historiquement, un exemple bien connu est celui des disques durs, où les progrès des systèmes de contrôle ont permis d'atteindre des densités incroyables tout en utilisant un matériel électromécanique parsemé d'imperfections, telles que des non-linéarités et des instabilités de toutes sortes.

Un problème similaire est apparu pour les systèmes de communication radio. À mesure que les fréquences porteuses continuent d'augmenter et que la densité des canaux devient de plus en plus dense, les exigences en termes de linéarité pour les amplificateurs de puissance radiofréquence (RF-PA) utilisés dans les systèmes de télécommunication sont devenues plus strictes. Traditionnellement, la meilleure linéarité est assurée par les conceptions connues sous le nom de « Classe A », qui sacrifient de grandes quantités de puissance pour maintenir le fonctionnement dans une région où les transistors répondent de la manière la plus linéaire possible.

D’un autre côté, les conceptions à haute efficacité énergétique sont affectées par des non-linéarités qui les rendent instables sans correction appropriée. La situation s'est aggravée car les systèmes de modulation utilisés par les systèmes cellulaires les plus récents présentent un rapport de puissance très élevé entre les symboles d'intensité la plus faible et la plus élevée. Des types RF-PA spécifiques tels que les amplificateurs Doherty sont parfaitement adaptés et économes en énergie, mais leur non-linéarité native n'est pas acceptable.

Au cours des deux dernières décennies, le traitement du signal numérique à grande vitesse est devenu largement disponible, économique et économe en énergie, conduisant à l'émergence d'algorithmes permettant la correction en temps réel des non-linéarités de l'amplificateur en « déformant » intentionnellement le signal dans un manière qui compense la réponse physique de l'amplificateur.

Ces algorithmes sont désormais collectivement connus sous le nom de pré-distorsion numérique (DPD) et représentent une évolution des implémentations antérieures de la même approche dans le domaine analogique. Au fil des années, de nombreux types d'algorithmes DPD ont été proposés, impliquant généralement une rétroaction en temps réel de l'amplificateur via ce que l'on appelle un « signal d'observation » et des calculs assez intenses.

Bien que cette approche ait joué un rôle déterminant dans le développement des réseaux cellulaires de troisième et quatrième générations (3G, 4G), elle ne répond pas aux exigences émergentes des réseaux de cinquième génération (5G), pour deux raisons. Premièrement, les réseaux d’antennes denses sont soumis à des perturbations importantes entre les éléments adjacents, appelées diaphonie, ce qui rend difficile l’obtention de signaux d’observation propres et provoque une instabilité.

La situation est considérablement aggravée par l’utilisation de fréquences toujours plus nombreuses. Deuxièmement, les réseaux denses d’antennes nécessitent des solutions à très faible consommation, ce qui n’est pas compatible avec l’idée d’un traitement complexe pour chaque élément individuel.

« Nous avons trouvé une solution à ce problème à partir de deux faits mathématiques bien établis. Premièrement, lorsqu'une non-linéarité est appliquée à un signal sinusoïdal, elle le déforme, entraînant l'apparition de nouvelles fréquences. Leur intensité fournit une sorte de de signature, qui, si la non-linéarité est un polynôme, est presque univoquement associée à un ensemble de coefficients. Deuxièmement, les réseaux neuronaux multicouches, des premiers types, introduits il y a des décennies, sont donc capables d'approximations de fonctions universelles. d'apprendre une telle association et de l'inverser », explique le professeur Ludovico Minati, principal inventeur du brevet sur lequel l'étude est basée et ancien professeur associé spécialement nommé à Tokyo Tech.

Les types les plus récents de RF-PA basés sur la technologie CMOS, même lorsqu'ils sont fortement non linéaires, ont tendance à avoir une réponse relativement simple, exempte d'effets mémoire.

« Cela implique que le problème DPD peut être réduit à la recherche des coefficients d'un polynôme approprié, d'une manière suffisamment rapide et stable pour un fonctionnement réel », explique le Dr Aravind Tharayil Narayanan, auteur principal de l'étude. Grâce à une architecture matérielle dédiée, les ingénieurs de la Nano Sensing Unit de Tokyo Tech ont pu mettre en œuvre un système qui détermine automatiquement les coefficients polynomiaux du DPD, sur la base d'une quantité limitée de données pouvant être acquises en quelques millisecondes.

Effectuer l'étalonnage au « premier plan », c'est-à-dire un chemin à la fois, réduit les problèmes liés à la diaphonie et simplifie considérablement la conception. Bien qu'aucun signal d'observation ne soit nécessaire, l'étalonnage peut s'adapter à diverses conditions grâce aux entrées de signaux supplémentaires, tels que la température de la puce, la tension d'alimentation et les réglages des déphaseurs et des coupleurs connectant l'antenne. Même si le respect des normes peut poser certaines limites, cette approche est en principe largement applicable.

« Comme le traitement en temps réel est très limité, la complexité matérielle est véritablement réduite au minimum et l'efficacité énergétique est maximisée. Nos résultats prouvent que cette approche pourrait en principe être suffisamment efficace pour prendre en charge les normes émergentes les plus récentes. Une autre caractéristique très pratique est qu'une quantité considérable de matériel peut être partagée entre les éléments, ce qui est particulièrement pratique dans les conceptions de réseaux denses », explique le professeur Hiroyuki Ito, responsable de l'unité de nanodétection de TokyoTech, où la technologie a été développée.

Dans le cadre d'un effort de collaboration entre l'industrie et le monde universitaire, les auteurs ont pu tester le concept sur du matériel réaliste et de pointe fonctionnant à 28 GHz fourni par Fujitsu Limited, en étroite collaboration avec une équipe d'ingénieurs de la division de planification des produits de la Business Unit Systèmes Mobiles. Les travaux futurs comprendront une mise en œuvre à grande échelle utilisant des conceptions ASIC dédiées, une analyse détaillée de la conformité aux normes et une analyse comparative réaliste sur le terrain dans divers contextes.

Une demande internationale PCT pour la méthodologie et la conception a été déposée.