La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

1/34 Conception et caractérisation d'antennes pour des systèmes MIMO Yann Mahé (1), Julien Sarrazin (1), Serge Toutain (1), Laurent Cirio (2), Benoît Poussot.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "1/34 Conception et caractérisation d'antennes pour des systèmes MIMO Yann Mahé (1), Julien Sarrazin (1), Serge Toutain (1), Laurent Cirio (2), Benoît Poussot."— Transcription de la présentation:

1 1/34 Conception et caractérisation d'antennes pour des systèmes MIMO Yann Mahé (1), Julien Sarrazin (1), Serge Toutain (1), Laurent Cirio (2), Benoît Poussot (2), Jean-Marc Laheurte (2), A. Diallo (3), C. Luxey (3), P. Le Thuc (3), R. Staraj (3) (1) IREENA, Polytech.Nantes (2) ESYCOM, Université de Paris-Est, Marne-La-Vallée (3) LEAT, Université de Nice-Sophia Antipolis

2 2/34 Principes de base sur la diversité dantennes et le MIMO Le MIMO ou la fin des antennistes? Reconfiguration dantennes en diagramme et polarisation Amélioration du couplage entre antennes Plan de lexposé

3 3/34 Besoins de plus de débit : Internet, HDTV, téléphonie mobile Démocratisation des réseaux locaux sans fil (WIFI, WLAN, HIPERLAN, WIMAX) Développement de réseaux sans fil à plus grande échelle (MAN : Métropolitain Area Network) Contexte (1)

4 4/34 Communications urbaines ou indoor Trajets multiples Les systèmes MIMO augmentent le débit des communications en tirant profit de des multi-trajets sans nécessiter plus de bande passante Contexte (2) MIMO (Multiple Input Multiple Output) : utilisation de plusieurs antennes à lémission et à la réception afin de créer de la diversité

5 5/34 Antennes de réception « intelligentes » Réseaux dantennes à formation de faisceaux ou à réjection dinterférences: adaptés à des milieux LOS (Line of sight) ou proches Antenne directive peu pertinente en NLOS (indépendance statistique des signaux reçus) Auto-ajustement contraintes en vitesse de commutation information sur langle darrivée trop coûteuse

6 6/34 Diversité dantennes: Récepteur multi-antennes (« Réseau ») + utilisation de techniques de combinaison des signaux reçus par chaque antenne défense contre les multi-trajets (années 60) MIMO: exploitation des multi trajets création de plusieurs canaux indépendants dans une même bande de fréquence avec des réseaux dantennes en émission et en réception (1996: démonstrateur BLAST des Bell Labs) Diversité dantennes et antennes MIMO (dumb antennas)

7 7/34 SISO (Single Input Single Output) x1x1 y1y1 h C SISO : Capacité ergodique (moyenne) : RSB moyen sur lantenne de réception h: gain complexe normalisé associé au canal de propagation, incluant les caractéristiques des évanouissements et de lantenne (diagramme, polarisation,.)

8 8/34 Sélection du signal au plus fort RSB Recombinaison des signaux (EG, MRC…) RX SIMO (Single Input Multiple Output) Diversité simple x1x1 y1y1 y2y2 yMyM h1h1 h2h2 hMhM Augmentation du RSB : meilleure robustesse de la liaison, possibilité de forts taux de modulation,… La capacité du système augmente comme le logarithme de M h=[h 1, h 2,…, h M ]

9 9/34 x1x1 x2x2 x3x3 y1y1 y2y2 y3y3 h 11 h 21 h 31 h 33 (Hypothèses: modèle dévanouissement Rayleigh, canaux non sélectifs en fréquence,..) Données divisées en N sous-séquences Envoyées en parallèle Débit initial et occupation spectrale divisés par N Algorithme VBLAST… Connaissance de Y + estimation des coefficients h MN = détermination de X TXRX MIMO: Multiplexage spatial

10 10/34 H T HH N ICdetlog 2 Capacité de canal (bp/s/Hz) Performances liées à la corrélation entre les trajets représentés par les coefficients h ij de la matrice H N liaisons indépendantes Capacité du MIMO (Multiplexage spatial ) Cas optimal (corrélation nulle entre trajets) N liaisons indépendantes A puissance démission égale, la capacité augmente linéairement avec min(M,N). Pour N grand, C=Nlog 2 (1+ )

11 11/34 Dietrich, AP Magazine Oct 2000 Capacité SISO, SIMO, MIMO canal de Rayleigh SISO: augmentation lente: 3 dB de plus sur RSB augmente C SISO de 1bit/s/Hz Comparaison SIMO et MIMO avec N identique. SIMO (1,3) et MIMO (2,2) SIMO (1,5) et MIMO (3,3) Faibles RSB, C SIMO >C MIMO Forts RSB (30dB). C MIMO (3,3) ~ 2C SIMO (1,5) Si N, croisement entre les courbes C MIMO et C SIMO pour les faibles RSB C SIMO (1,3) et (1,5): pente identique N C MIMO (2,2) et (3,3) pente en fonction de N

12 12/34 r(t): signal instantané m(t): évanouissements lents (ou moyenne) f(t): évanouissements rapides (modèle Rayleigh) r(t)=m(t).f(t) Diversité/MIMO luttent contre les évanouissements rapides Evanouissements rapides et lents

13 13/34 Challenge : Co-localisation de plusieurs antennes éventuellement multi- bandes sur le PCB d'un seul objet communicant de petite taille Amélioration de lefficacité des antennes Meilleure efficacité des antennes miniatures Forte isolation entre antennes ou accès A quoi sert lantenniste? Ericsson T65

14 14/34 A quoi sert lantenniste? Antennes reconfigurables (diversité de polarisation ou de diagramme) Directions darrivée uniformément réparties en théorie, clusters de rayons en pratique Minimum dintelligence au niveau de lantenne peut améliorer le RSB et la corrélation

15 15/34 Objectif : fournir plusieurs copies différentes (ou décorrélées) du signal transmis et les combiner judicieusement afin daugmenter la capacité Cette décorrélation est introduite en écartant les antennes à lémission et à la réception ( /2 suffisant en milieu riche en multi-trajets) Trajet 1 Trajet 2 Diversité despace

16 16/34 Trajet 1 Trajet 2 Diversité de diagramme Antennes co-localisées Encombrement réduit Décorrélation des signaux reçus Diversité de polarisation dépolarisation polarisation V polarisation H

17 17/34 Diversité adaptative (typiquement : diversité despace + rayonnement reconfigurable) La reconfiguration de diagramme augmente lapport en diversité des antennes en tenant compte du canal de propagation RSB & décorrélation des signaux reçus optimisés au cours du temps Trajet 1 Trajet 2 MIMO adaptatif

18 18/34 MIMO adaptatif basé sur une cavité métallique cubique à 3 fentes commutables (IREENA) Fentes court-circuitées modification du diagramme de rayonnement 3 configurations de rayonnement 3 polarisations orthogonales pour lutter contre les évanouissements (fading) 5.2 GHz

19 19/34 simulationmesure Configuration 1 Diagramme E et E pour la configuration 1 GφGφ GθGθ

20 20/34 GφGφ GθGθ simulationmesure Configuration 2 Diagramme E et E pour la configuration 2

21 21/34 GφGφ GθGθ simulationmesure Configuration 3 Diagramme E et E pour la configuration 3

22 22/34 d = 60mm Antenne 1 Antenne 2 Antenne 1 : 3 diagrammes de rayonnement disponibles Antenne 2 : 3 diagrammes de rayonnement disponibles 3 2 configurations de rayonnement possibles Application aux systèmes MIMO adaptatifs

23 23/34 Champ complexe électrique émis par lantenne suivant θ et Φ uEuEE,,, Distribution des angles darrivées (AoA) Corrélation denveloppe = Coefficient de cross-polarisation (XPD) Densité de puissance reçu suivant Φ Densité de puissance reçu suivant θ

24 24/ e i (°) configuration 1 & 1 configuration 1 & 2 configuration 3 & 2 MIMO adaptatif : choix de la configuration de rayonnement offrant le plus de diversité en fonction de lévolution du canal Corrélation denveloppe en fonction de langle dincidence de la direction moyenne darrivée des signaux Distribution gaussienne ( σ=20°) XPD = 20dB

25 25/34 SPDT Pin diodes Antenne à un seul accès fonctionnant à 5.8 GHz Diversité en polarisation: V et H (3 SPDTs) Diversité en diagramme: 4 diagrammes (2 diodes par stub) Total de 8 canaux distincts Selection combining Antenne commutable en polarisation et diagramme (ESYCOM)

26 26/34 Polarisation horizontale Polarisation verticale b1b2 b3b4 b5b6 b7b8 Diagrammes de rayonnement

27 27/34 Emetteur mobile en rotation et translation Monopole vertical en émission Récepteur fixe échantillons par canal Banc de mesure

28 28/34 DG: Amélioration du RSB dun capteur multi antennes par rapport à une antenne seule 4 branches (2 diagrammes + 2 polarisations): meilleur compromis complexité antenne / DG Orientation diagonale de lantenne: DG=12.9 dB avec 4 branches Combinaison de 4 branches Mesures en diversité DG Polarisation verticale Polarisation horizontale Combinaison de 8 branches

29 29/34 UMTS Port 1 UMTS Port 2 Système à 2 PIFAs couplées (LEAT) 2 PIFAs très proches (0.12λ 0 ) opérant dans la bande UMTS S 21 =-5 dB

30 30/34 Technique de neutralisation: languettes d'alimentation reliées Amélioration min. : 15 dB ligne 18x0.8mm 2

31 31/34 98 % 81 % Sim. 94 % Avec ligne 80 %Sans ligne Mes. Technique de neutralisation: efficacité totale et corrélation Amélioration : 17%/20% Sans ligne Avec ligne

32 32/34 Chambre Réverbérante 0.8m x 1m x1.6m Tête de fantôme Chambre réverbérante assimilée à un environnement isotrope Performances MIMO caractérisées avec 3 dipoles démission XYZ Mesure de capacité en chambre réverbérante

33 33/34 Evaluation des performances MIMO du système à 2 antennes en chambre réverbérante SNR=10dB Capacité augmente de 8.3 à 9.1bits/s/Hz (de 12 à 13 pour 4 éléments)

34 34/34 Conclusion Diversité dantennes et MIMO améliorent significativement la capacité des liaisons riches en multitrajet (Merci aux traiteurs de signaux!) mais augmentent la consommation et la complexité des systèmes Lantenniste peut apporter sa contribution: en miniaturisant les terminaux (co-localisation) en limitant les couplages entre antennes en optimisant lefficacité en reconfigurant sans pertes lantenne (ok si peu de multitrajets) Lantenniste doit repenser ses (réseaux d)antennes en terme de corrélation, gain en diversité, RSB, capacité de canal et taux derreur binaire etc… et les évaluer (les comparer) dans le système complet avec des scenarii variables.

35 35/34 WIFIMAX et WIFI G capacité annoncée 11 Mbits/s à 50m N MIMO+OFDM 100 Mbits/s à 90 m (3 x3 antennes) BP réel << BP annoncée Futur du MIMO: virtual antenna arrays + UWB WIMAX : transmission utilise le beamforming, quelques kms de portée Technologies wideband: égalisation, OFDM, DS-CDMA

36 36/34 Couplage et Corrélation Accès 2 en circuit ouvert Accès 2 adapté

37 37/34 Une corrélation assez importante ( <0.7) peut être tolérée sans trop sacrifier de gain en diversité 1.5dB Gain en diversité en fonction de la corrélation pour un récepteur à 2 branches

38 38/34 Amélioration du SNR moyen en fonction du nombre de canaux pour différentes méthodes de combinaison

39 39/34 Fonction de répartition combinée par « selection combining » pour différents nombres de canaux

40 40/34 Dietrich, AP Magazine Oct 2000 Capacité SISO, MISO, SIMO, MIMO


Télécharger ppt "1/34 Conception et caractérisation d'antennes pour des systèmes MIMO Yann Mahé (1), Julien Sarrazin (1), Serge Toutain (1), Laurent Cirio (2), Benoît Poussot."

Présentations similaires


Annonces Google