Plus de trente ans après que la faculté de Duke a contribué à développer la technologie sans fil moderne, l’université reste à l’avant-garde de son avenir.
En 1996, des chercheurs d’AT&T ont réalisé une percée dans le domaine de la technologie sans fil. Ils ont trouvé le moyen d’améliorer la vitesse, l’efficacité et la fiabilité des communications sans fil en corrélant les signaux provenant de plusieurs antennes, au lieu d’une seule. Cette technologie de « codage espace-temps » fait encore aujourd’hui partie intégrante des appels téléphoniques mobiles.
L’article de référence publié par les chercheurs en 1998 sur leurs travaux a depuis été cité plus de 10 000 fois. Robert Calderbank, qui a dirigé les recherches d’AT&T, et Vahid Tarokh, qui a dirigé le département de traitement des signaux et des communications sans fil d’AT&T, ont ensuite rejoint l’université Duke dans les années 2010 en tant que membres du corps enseignant du département d’ingénierie électrique et informatique (ECE).
Trois décennies après cette importante innovation dans le domaine des technologies sans fil, qui a contribué à l’avènement des technologies 2G et 3G, l’industrie évolue aujourd’hui rapidement vers la 6G.
Duke Engineering s’efforce de jouer un rôle clé dans le développement de la prochaine génération de technologies sans fil grâce à une liste croissante d’experts, dont beaucoup ne se limitent pas à Calderbank et Tarokh, et à des collaborations sur l’ensemble du campus.
« Duke dispose d’une équipe unique de théoriciens et d’expérimentateurs qui peuvent parler le même langage et collaborer étroitement », a indiqué Hai “Helen” Li, professeur Marie Foote Reel E’46 et présidente de l’ECE.
La 6G pourrait inclure des capacités de détection
Les spécialistes des télécommunications s’attendent à ce que la sixième génération (6G) de réseaux sans fil ait plus de fonctions que ses prédécesseurs. Outre l’amélioration de la fiabilité et de la rapidité de la communication des données, la 6G pourrait également intégrer un réseau de capteurs.
Les réseaux de téléphonie cellulaire existants génèrent déjà de grandes quantités de données sous la forme de signaux radio qui se propagent dans l’environnement. Ces signaux peuvent nous apprendre bien plus que de simples données sur l’utilisation du téléphone : ils peuvent générer une carte virtuelle d’environnements entiers en se basant sur les signaux radio qui rebondissent sur les bâtiments, les personnes et d’autres appareils.
Comment exploiter ces informations ? De meilleures cartes permettraient une utilisation plus efficace du spectre, le terme désignant le support partagé des fréquences électromagnétiques utilisées dans les communications sans fil. Les autorités locales et l’industrie pourraient également intégrer ces données dans des carrefours intelligents ou des véhicules autonomes.
Mais avant d’en arriver là, les chercheurs doivent trouver comment créer les signaux sans fil les mieux adaptés à ces objectifs. La complexité et l’ampleur des tâches de la 6G exigent une conception réfléchie et mesurée des ondes électromagnétiques.
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« La 6G est considérée comme une question d’utilisation de l’intelligence artificielle et de l’apprentissage automatique », a dit M. Calderbank. « Nous nous efforçons d’identifier la couche physique que ces algorithmes veulent voir. »
Collaborations expérimentales à Duke
Pour fonctionner, les signaux sans fil doivent s’adapter aux particularités du monde réel, comme les caractéristiques topographiques, les espaces urbains denses ou les objets qui se déplacent rapidement. Selon M. Tarokh, les limites théoriques et mathématiques des télécommunications sont en grande partie bien comprises, mais les plus grands défis restent à relever au niveau de la mise en œuvre.
« La question est de savoir comment concevoir soigneusement l’infrastructure du réseau en tenant compte des nombreux défis du monde réel impliquant la géographie, le partage du spectre, les questions juridiques et bien d’autres choses encore », a ajouté M. Tarokh.
Au fil des ans, Duke a non seulement développé ses prouesses théoriques en matière de télécommunications, mais aussi son expertise expérimentale. Tingjun Chen, professeur adjoint d’ECE, fait le lien entre ces deux domaines en se concentrant sur l’intégration des réseaux sans fil et à fibre optique, l’optimisation de la transmission des signaux et le développement de jumeaux numériques pour la propagation des signaux. Il travaille également sur l’intégration de capacités de détection dans cette technologie.
« À Duke, nous disposons non seulement de bancs d’essai en laboratoire, mais aussi d’un banc d’essai à l’échelle du campus qui comprend des réseaux LTE/5G privés de qualité commerciale et un réseau de fibres optiques à l’échelle du comté », explique Tingjun Chen. « Cela nous permet de tester des idées, telles que de nouvelles conceptions de signaux, de nouveaux algorithmes et de nouvelles méthodes d’apprentissage automatique pour la communication et la détection, à grande échelle. Je ne connais aucune autre université du pays qui dispose de telles capacités. »
Tingjun Chen collabore régulièrement avec Calderbank en testant les signaux sans fil personnalisés de son laboratoire sur les ressources réseau fournies par l’Office of Information Technology (OIT) de Duke, qui entretient des centaines de kilomètres de câbles à fibre optique reliant les campus Est et Ouest de Duke et le Chesterfield Building dans le centre-ville de Durham.
« L’OIT s’est engagé à faire de son réseau un atout pour les chercheurs », a commenté John Board, professeur associé d’ECE et directeur adjoint de l’information à l’OIT. « Notre infrastructure est au service de la mission de recherche, tout en remplissant ses fonctions opérationnelles. »
La collégialité, la collaboration et l’interdisciplinarité qui règnent à Duke permettent aux membres de la faculté d’explorer les télécommunications sous différents angles. Galen Reeves, professeur associé d’ECE et de sciences statistiques, travaille fréquemment avec Henry Pfister, professeur d’ECE Jeffrey N. Vinik, sur la théorie de l’information, qui fournit un cadre mathématique pour étudier comment l’information est traitée, stockée et communiquée.
« Réunir l’expertise de domaines connexes de l’apprentissage automatique et des statistiques permet d’acquérir de nouvelles connaissances et de réaliser des progrès dans le domaine des télécommunications », a conclu M. Reeves.
Source : Ecole d’ingénieurs Pratt
