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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 ANTENNES INTELLIGENTES.

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2 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 ANTENNES INTELLIGENTES

3 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 2 PLAN DU COURS Introduction Historique, généralités Caractéristiques des antennes Partie I : Antennes compactes Partie II : Antennes larges bandes Partie III : Antennes à polarisation circulaire Partie IV : Antennes grand gain Partie V : Formation de faisceau Partie VI : Antennes intelligentes Partie VII : MIMO

4 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 3 PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILES Comment garantir à la fois un débit important et la mobilité de lutilisateur ? Le système le plus simple pour garantir la mobilité serait de pouvoir couvrir une large zone où le mobile serait à portée quelque soit sa position. ressources limitées (un seul utilisateur possible, puissance importante...)

5 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 4 PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILES Pour garantir un débit important, lidéal est une liaison point à point pour chaque utilisateur Les utilisateurs doivent alors être à des positions fixes

6 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 5 DEPLOIEMENT CELLULAIRE La solution dune répartition cellulaire des stations de base permet une réutilisation des fréquences utilisées et une gestion des ressources en puissance. Pour garder un rapport SNR suffisant, il faut un facteur de réutilisation élevé Passage au tri-sectoriel

7 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 6 DEPLOIEMENT OMNIDIRECTIONNEL Cellules co-canal

8 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 7 DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL Remplacement dune cellule omnidirectionnelle par trois secteurs de 120°

9 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 8 DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL Cellules co-canal

10 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 9 DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL Avantages : Meilleure gestion des puissances Meilleure réutilisation des fréquences Surcoût faible valeur avec ant. omnidirectionnelles valeur avec ant. sectorielles

11 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 10 UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE Lutilisation de 2 antennes espacées permet de limiter les affaiblissements dûs aux trajets multiples

12 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 11 UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE Techniques de diversité spatiale mais aussi fréquentielle, temporelle ou de polarisation

13 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 12 BALAYAGE DE FAISCEAUX On peut encore améliorer lefficacité du système en remplaçant chaque antenne omni ou sectorielle par un système pouvant commuter entre plusieurs faisceaux douverture étroite. Cest ce que lon appelle la commutation de faisceaux.

14 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 13 BALAYAGE DE FAISCEAUX Permet encore un gain significatif, mais avec une structure physique plus lourde

15 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 14 Problématique –Comment peut-on combiner plusieurs antennes en réception pour améliorer au mieux le signal ??? ANTENNES ADAPTATIVES EN RECEPTION

16 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 15 ANALOGIE EN ACOUSTIQUE Séparer le signal utile des interférents revient à distinguer la source sonore désirée : la différence entre les informations reçues par les deux oreilles permet de sorienter et la connaissance des autres bruits permet de mieux décrypter le signal utile (analogie « cocktail party »)

17 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 16 Deux signaux reçus, décalés (déphasés) DIFFERENCE DE TRAJET SUR 2 ANTENNES

18 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 17 Signaux reçus : 1 direction d arrivée du signal ( ) mobile en champ lointain les antennes en réception sont omnidirectionnelles Le signal reçu est le même sur les 2 antennes, avec simplement un déphasage, liée à la distance :

19 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 18 Modèle plus général : N capteurs chaque capteur reçoit un signal modifié par le canal fonction de transfert du canal

20 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 19 Modèle en bande étroite : on peut assimiler Hi à une constante complexe

21 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 20 Combinaison dans un environnement de bruit blanc PRISE EN COMPTE DU BRUIT

22 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 21 –Signal reçu : –on choisit un filtre tel que : –prenons : UTILISATION DE FILTRE

23 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 22 Exemple des 2 antennes : –le filtre correspondant : pondération de phase

24 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 23 Sélectivité : –2 sources : –on focalise avec le bon filtre sur M0. 0 1

25 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 24 –Conséquence sur le signal reçu : 0 1

26 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 25 Démos …… 0 x y 2d

27 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes =0

28 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes = /4

29 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes = /2

30 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 29 Conséquence sur le niveau de bruit –si un seul capteur : bruit N; DSP : (f) –si plusieurs capteurs : matrice dintercorrélation spectrale Matrice de cohérence spatiale

31 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 30 Matrice dintercorrélation spectrale –après filtrage : –le gain en SNR lié au filtrage :

32 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 31 Exemple avec l antenne à 2 éléments –après filtrage : –le gain en SNR lié au filtrage : Rq : pour N éléments, avec une amplitude constante en réception, le gain est égal à N

33 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 32 Remarque concernant lindépendance du bruit : Le gain pour N éléments, avec une amplitude constante en réception est égal à N, ssi les bruits de chaque capteurs sont indépendants sinon le gain est plus faible il faut 2d> /2.

34 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 33 Paramètres : –influence de la distance entre antennes nécessité de l indépendance des signaux –influence du nombre d éléments augmentation du pouvoir discriminant –influence de la géométrie existence de directions privilégiées

35 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 34 S I REJECTION DINTERFERENCE But : atténuer le plus possible linfluence dun signal interférent sur la réception du signal utile

36 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 35 Problématique –Le filtre précédent a pour but doptimiser les contributions des capteurs pour améliorer le SNR global. –Par contre, ce nest pas toujours optimal, lorsque le bruit est lié à une source ponctuelle

37 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes Interférent bien filtré Interférent mal filtré S I S I

38 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 37 –Objectif : pénaliser les directions où un mobile est présent la direction de la source S est caractérisée par son filtre de propagation. H 0 La direction de linterférent I est caractérisé par son filtre propre H 1. –Chercher un filtre qui maximise S en minimisant I.

39 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 38

40 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 39 –Filtre optimal on considère le bruit comme étant la somme du bruit blanc environnant et de l interférent. Sa matrice interspectrale est : filtre de blanchiment du bruit, suivi d un filtre de détection pondération amplitude et phase

41 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes = /4; int =[ /3,0] ; 4 antennes, 2d=0.5 filtre classique

42 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes = /4; int =[ /3,0] ; 4 antennes, 2d=0.5 filtre avec réjection

43 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 42 Applications dissocier le signal émis par un mobile utile, des signaux émis par des mobiles dans les cellules voisines

44 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 43 Applications dissocier les signaux émis par 2 mobiles utiles (ou N), simultanément.

45 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 44 On peut alors réduire totalement les interférences entre mobiles internes à une cellule. On peut même envisager de réutiliser un même code par plusieurs mobiles appartenant à la même cellule. Ces techniques devraient permettre une augmentation très significative de la capacité des réseaux cellulaires Techniques SDMA

46 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 45 ANTENNES ADAPTATIVES EN EMISSION On ne peut plus se contenter de recevoir le signal et de le traiter pour trouver la meilleure combinaison, il faut ici appliquer directement les pondérations adéquates pour diriger le faisceau vers lutilisateur.

47 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 46 –en réception, le traitement est fait à posteriori. On peut ainsi envisager naturellement un traitement adaptatif dynamique –en émission, le traitement est possible (=focalisation), mais nécessite la connaissance initiale de l objectif visé. –la précision peut se faire au détriment de la mobilité, surtout si le canal nest pas stable.

48 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 47 DIFFERENTS ALGORITHMES 3 grandes catégories dalgorithme : -ceux nécessitant une séquence dapprentissage; -ceux nécessitant la connaissance de la direction darrivée du signal; -ceux travaillant en aveugle.

49 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 48 SEQUENCE DAPPRENTISSAGE La séquence dapprentissage est une partie dinformation envoyée connue du récepteur lui permettant de déduire de létat darrivée des bits la fonction de transfert du canal. Algos les plus utilisés : MMSE (minimisation de lerreur quadratique moyenne) LMS (Least Mean Square) RLS (Recursive Least Square) SMI (Sampled Matrix Invariance)

50 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 49 Exemple dutilisation : –Il existe une solution qui permet d obtenir de la diversité, sans connaissance a priori de la position de la source. Cela permet d introduire de la diversité : exemple avec 2 émetteurs

51 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 50 Emission alternée dun symbole sur A 1 et A 2 : h1h1h1h1 h2h2h2h2

52 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 51 Algorithme de détection : l algorithme travaille sur 2 périodes 1ère impulsion : 2ième impulsion : combinaison : inconvénient : on divise le débit par 2.

53 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 52 Emission simultanée de 2 symboles sur A 1 et A 2 : h1h1h1h1 h2h2h2h2

54 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 53 Algorithme de détection : l algorithme travaille sur 2 périodes 1ère impulsion : 2ième impulsion : combinaison :

55 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 54 Propriétés : On obtient la même diversité (N) en émission qu en réception. Il faut connaître le canal au niveau du récepteur (et pas de l émetteur). Séquence dapprentissage,… La combinaison émission/réception est possible et améliore encore la diversité. Les chemins multiples (fast fading) peuvent compromettre ce principe –=> Egalisation multi-voies.

56 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 55 CONNAISSANCE DE LA DOA Utilisation en 2 temps : - détermination de la DOA grâce au signal reçu de lutilisateur (+interférents) - puis formation du faisceau en conséquence Algos les plus utilisés : MVDR (Minimum Variance Distortionless Responce) Pour la DOA : MUSIC ou ESPRIT

57 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 56 ILLUSTRATION

58 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 57 ALGORITHMES AVEUGLES Tentent dextraire les caractéristiques du canal des informations reçue dans le signal Traitement lourd et difficile en temps réel Souvent associés aux autres techniques (semi-aveugle)

59 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 58 CONCLUSION Les antennes intelligentes permettent une augmentation importante de la capacité des réseaux (augmentation de portée, cell-splitting, amélioration du débit...). Points durs : -le coût matériel (plus dantennes, réseaux de pondération, processeurs de calcul...); -la rapidité des algos.

60 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 59 Smart Antennas in Mobile Communications on the Globe Radio Design AB (SW) NMT-450 TSUNAMI-SUNBEAM- SATURN/METRA Projects (EU) - Wide range of R&D activity - Recommendations for standardization - Field Trials GSM/DCS 1800 system ArrayComm (USA) - installations in WLL - tests for GSM 1800 Metawave (USA) Commercially available IntelliCell Switched Beam System ARPA (USA )/GloMo project Raytheon (USA) Commercially availableFully Adaptive Smart Antenna System Ericsson (SW) first system system solution with SA GSM (commercially available) IntelliWave Wireless Local Loop System NTT DoCoMo (Japan) Testbed for UTRA GigabitWireless(USA) WLL UMTS ?


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