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Prix de l'inventeur européen

Arogyaswami Paulraj et équipe (Inde/États-Unis)

Finalistes du Prix de l’inventeur européen 2016

Arogyaswami Paulraj (top visual)

Vidéo:

Catégorie : Pays non européens

Secteur : Technologie sans fil, réseaux cellulaires

Société : Iospan Wireless

Brevet : EP1198963, EP1240730

Invention: Technologie sans fil plus rapide

L'inventeur indo-américain Arogyaswami Paulraj et une équipe de chercheurs de l'université de Stanford sont les précurseurs de la technique MIMO, une idée originale qui a formidablement amélioré les performances des réseaux cellulaires et des modems sans fil. Cette innovation permet d'augmenter les débits de transmission de données pour la LTE et le sans fil et d'élargir significativement la couverture. Sans MIMO, l'internet haut débit tel que nous le connaissons aujourd'hui, dans les zones rurales comme urbaines, ne serait probablement pas disponible.

Arogyaswami Paulraj (side visual) L'invention de Paulraj et de son équipe est ingénieuse parce qu'elle dépasse une des limites fondamentales du spectre sans fil, la largeur de bande. Paulraj a commencé à se pencher sur cette question il y a 25 ans, puis il est passé à l'idée du multiplexage spatial qui consiste à ajouter des antennes pour faire passer plus d'informations sur le même canal. Ce faisant, ce professeur de génie électrique a demandé à deux de ses étudiants en post-doctorat, David Gesbert et Robert Heath, de l'aider à développer techniquement son idée. Les graines de la technique appelée MIMO (Multiple-Input, Multiple-Output) étaient semées.

L'idée de Paulraj était d'intégrer l'espace se trouvant entre l'antenne et les récepteurs dans l'équation générale de transfert : penser à la manière dont les bâtiments, les plafonds, les arbres et les autres objets influençaient les signaux radio et créer un phénomène appelé propagation multi-trajet. En explorant cette idée avec des techniques de modulation plus fines, il a pu intégrer au moins deux antennes et deux récepteurs dans la transmission sans fil ou Wi-Fi. Au lieu de recevoir deux signaux peu clairs, les récepteurs sont capables de reconnaître chaque signal individuellement, en partie grâce au trajet légèrement différent qu'il emprunte.

Bénéfices pour la société

Sans cette innovation majeure de Paulraj, la vitesse de connexion, à laquelle des millions de personnes dans le monde se sont habituées, n'aurait pas augmenté. MIMO fait partie des techniques qui ont permis de multiplier par plusieurs centaines les vitesses de transmission de données, entre 2001 et 2006. Et elle est encore utilisée avec les dernières normes de données sans fil.
Sans elle, les réseaux de téléphone mobile, par exemple, n'auraient jamais pu évoluer autant que leurs prédécesseurs. Plusieurs startups à la pointe des technologies n'auraient pas pu voir le jour. Les services hébergés mobiles ne seraient certainement pas possibles. L'ère du numérique, lancée par les débits de données très élevés, n'aurait plus pu arriver.

Avantages économiques

La fonctionnalité « entrées multiples, sorties multiples » (multiple input, multiple output) est un pilier des télécommunications modernes, utilisé dans tous les systèmes sans fil récents. MIMO est une technologie essentielle pour les réseaux LTE 4G et son importance ne va pas diminuer lorsque les réseaux 5G seront lancés en 2020. En 2015, les opérateurs réseau ont dépensé 5,1 milliards d'euros (5,6 milliards de dollars) par trimestre pour fournir à leurs clients la connectivité 4G LTE. Alors que la 5G est en préparation, elle a déjà attiré 4,6 milliards d'euros d'investissement, selon les estimations. Ce montant est susceptible d'augmenter dans les années à venir.

L'innovation de Paulraj est une vraie réussite économique car son invention est devenue un brevet essentiel qui a généré d'autres brevets permettant de contribuer au développement d'une norme.

Cependant, l'impact économique immédiat de la technologie MIMO dans les secteurs où Paulraj détient des brevets est surtout manifeste avec les deux startups qu'il a créées. En 1999, Paulraj, Gesbert et Heath ont fondé Iospan Wireless pour développer un type de produits MIMO spécifique. La société a été finalement acquise par Intel. En 2004, Paulraj a fondé une deuxième société, Beceem Communications, qui est devenue un leader du marché des jeux de puce pour la 4G sans fil, avant son acquisition par Broadcom Corp. en 2010 pour 287 millions d'euros (316 millions de dollars).

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    Arogyaswami Paulraj à l'université Stanford

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    Arogyaswami Paulraj explique les principes de base de son invention

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    Arogyaswami Paulraj teste la connexion sans fil

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    Les antennes et récepteurs multiples forment la base de la technique MIMO

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    Arogyaswami Paulraj et la technologie MIMO

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    Arogyaswami Paulraj fait un appel vidéo par internet mobile


Comment ça marche ?

MIMO a donné naissance à un ensemble de techniques difficiles à définir simplement. L'idée essentielle de MIMO repose dans le traitement spatio-temporel du signal en prenant en compte les trajets divergents que les signaux provenant de deux ou plusieurs antennes empruntent, même si ces antennes sont très proches les unes des autres. Si plusieurs antennes de réception sont utilisées pour recevoir les signaux, ceux-ci peuvent être décomposés en différentes parties. 

Le processus MIMO démarre généralement avec le multiplexage, le flux des données sortantes est découpé, au niveau de la couche de liaison, en trames qui sont codées, modulées et cartographiées vers les deux (ou plus) antennes sortantes. Les ondes radio sont souvent polarisées, ce qui modifie leur amplitude de manière à prédéterminer leur orientation et refléter les signaux (par exemple 45° et 135°).

Cette polarisation permet aux antennes se trouvant dans le récepteur de mieux déterminer de quelle antenne sortante provient le signal et d'orienter les données reçues à tout moment dans l'ensemble du flux entrant.  

Inventeurs

Paulraj est né dans le sud de l'Inde et a rejoint la marine à l'âge de 15 ans.  En Inde, il a obtenu une licence en génie électrique au Naval College of Engineering et un doctorat à l'Institute of Technology en 1973. À la fin de ses trente années de service, il a obtenu le rang de Commodore, le quatrième rang le plus élevé de la marine indienne. En 1991, il est parti enseigner à l'université de Stanford, aux États-Unis, où il est actuellement professeur émérite de génie électrique, non sans avoir au préalable fondé trois laboratoires nationaux dans des universités indiennes et conduit le développement de l'un des projets militaires indiens de R&D les plus réussis : un système de SONAR anti-sous-marin destiné à la marine.

Il a reçu plus d'une vingtaine de récompenses, notamment deux des plus prestigieuses distinctions pour ses avancées dans les télécommunications : la médaille Alexander Graham Bell décernée par l'IEEE, en 2011, et le prix Marconi en 2014. Il a également reçu une des récompenses civiles les plus élevées d'Inde, le Padma Bhushan.

David Gesbert a obtenu son doctorat à l'ENST, en France, avant de devenir chercheur post-doctorant dans le groupe de Paulraj à l'université de Stanford. Il est actuellement professeur et chef du Département des Systèmes de communication d'EURECOM.

Robert Heath a également obtenu un doctorat à l'université de Stanford et il est actuellement professeur doté du Cullen Trust à l'université d'Austin, au Texas.

Le saviez-vous ?

Les hommes créent actuellement autant d'informations numériques en deux jours qu'ils en ont créées entre la nuit des temps et 2003. Pour quelle raison ? Selon Eric Schmidt, PDG de Google, c'est à cause des contenus produits par les utilisateurs eux-mêmes. Toutes les photos Instagram, les messages WhatsApp et les tweets ajoutent beaucoup de contenus...

De nombreux inventeurs reconnus par l'EPO et le Prix de l'Inventeur Européen ont joué des rôles clés dans les technologies qui ont rendu cette prolifération possible. Par exemple, Erik Dahlman et l'équipe d'Ericsson qui a contribué au développement de la LTE, Carles Puente et son équipe qui a conçu les antennes fractales, Sophie Wilson, inventrice des processeurs ARM utilisés dans les smartphones et Japp Haartsen qui a inventé le Bluetooth.

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