ANTENNES INTELLIGENTES

Historique, généralités 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

PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILES Comment garantir à la fois un débit important et la mobilité de l’utilisateur ? 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...)

PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILES Pour garantir un débit important, l’idéal est une liaison point à point pour chaque utilisateur Les utilisateurs doivent alors être à des positions fixes

DEPLOIEMENT CELLULAIRE La solution d’une 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

DEPLOIEMENT OMNIDIRECTIONNEL Cellules co-canal

DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL 0.5 1 1.5 2 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Remplacement d’une cellule omnidirectionnelle par trois secteurs de 120°

DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL Cellules co-canal

DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL Avantages : Meilleure gestion des puissances Meilleure réutilisation des fréquences Surcoût faible 0.5 1 1.5 2 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 valeur avec ant. sectorielles valeur avec ant. omnidirectionnelles

UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE L’utilisation de 2 antennes espacées permet de limiter les affaiblissements dûs aux trajets multiples

UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE Techniques de diversité spatiale mais aussi fréquentielle, temporelle ou de polarisation

BALAYAGE DE FAISCEAUX On peut encore améliorer l’efficacité du système en remplaçant chaque antenne omni ou sectorielle par un système pouvant commuter entre plusieurs faisceaux d’ouverture étroite. C’est ce que l’on appelle la commutation de faisceaux.

BALAYAGE DE FAISCEAUX Permet encore un gain significatif, mais avec une structure physique plus lourde

ANTENNES ADAPTATIVES EN RECEPTION Problématique Comment peut-on combiner plusieurs antennes en réception pour améliorer au mieux le signal ???

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 s’orienter et la connaissance des autres bruits permet de mieux décrypter le signal utile (analogie « cocktail party ») Pour une approche intuitive de comment marche une antenne intelligente, il suffit de fermer les yeux et de réaliser comment il est possible : 1) de localiser quelqu’un qui parle 2) de localiser plusieurs personnes et de dissocier leurs paroles 3) de les suivre en mouvement

DIFFERENCE DE TRAJET SUR 2 ANTENNES Deux signaux reçus, décalés (déphasés)

Signaux reçus : 1 direction d ’arrivée du signal (Y0) 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 :

fonction de transfert du canal Modèle plus général : N capteurs chaque capteur reçoit un signal modifié par le canal fonction de transfert du canal

Modèle en bande étroite : on peut assimiler Hi à une constante complexe

PRISE EN COMPTE DU BRUIT Combinaison dans un environnement de bruit blanc

on choisit un filtre tel que : UTILISATION DE FILTRE Signal reçu : on choisit un filtre tel que : prenons :

Exemple des 2 antennes : le filtre correspondant : pondération de phase

Sélectivité : 2 sources : on focalise avec le bon filtre sur M0. Y1 Y0

Conséquence sur le signal reçu : Y1 Y0

Démos …… y Y0 x 2d

0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Y0=0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Y0=p/4

0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Y0=p/2

Conséquence sur le niveau de bruit si un seul capteur : bruit N; DSP : s(f) si plusieurs capteurs : matrice d’intercorrélation spectrale Matrice de cohérence spatiale

Matrice d’intercorrélation spectrale après filtrage : le gain en SNR lié au filtrage :

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

Remarque concernant l’indépendance 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>l/2.

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

REJECTION D’INTERFERENCE But : atténuer le plus possible l’influence d’un signal interférent sur la réception du signal utile I S

Problématique Le filtre précédent a pour but d’optimiser les contributions des capteurs pour améliorer le SNR global. Par contre, ce n’est pas toujours optimal, lorsque le bruit est lié à une source ponctuelle

Interférent bien filtré Interférent mal filtré S S 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 I I Interférent bien filtré Interférent mal filtré

Objectif : pénaliser les directions où un mobile est présent la direction de la source S est caractérisée par son filtre de propagation. H0 La direction de l’interférent I est caractérisé par son filtre propre H1. Chercher un filtre qui maximise S en minimisant I.

pondération amplitude et phase 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

Y0=p/4; Yint=[p/3,0] ; 4 antennes, 2d=0.5 filtre classique 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180

Y0=p/4; Yint=[p/3,0] ; 4 antennes, 2d=0.5 filtre avec réjection 90 1.5 120 60 1 150 30 0.5 180 210 330 240 300 270

Applications dissocier le signal émis par un mobile utile, des signaux émis par des mobiles dans les cellules voisines

Applications dissocier les signaux émis par 2 mobiles utiles (ou N), simultanément.

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

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 l’utilisateur.

en réception, le traitement est fait à posteriori 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 n’est pas stable.

DIFFERENTS ALGORITHMES 3 grandes catégories d’algorithme : ceux nécessitant une séquence d’apprentissage; ceux nécessitant la connaissance de la direction d’arrivée du signal; ceux travaillant en aveugle.

SEQUENCE D’APPRENTISSAGE La séquence d’apprentissage est une partie d’information envoyée connue du récepteur lui permettant de déduire de l’état d’arrivée des bits la fonction de transfert du canal. Algos les plus utilisés : MMSE (minimisation de l’erreur quadratique moyenne) LMS (Least Mean Square) RLS (Recursive Least Square) SMI (Sampled Matrix Invariance)

Exemple d’utilisation : 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

Emission alternée d’un symbole sur A1 et A2 : h1 h2

Algorithme de détection : l ’algorithme travaille sur 2 périodes 1ère impulsion : 2ième impulsion : combinaison : inconvénient : on divise le débit par 2.

Emission simultanée de 2 symboles sur A1 et A2 : h1 h2

Algorithme de détection : l ’algorithme travaille sur 2 périodes 1ère impulsion : 2ième impulsion : combinaison :

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 d’apprentissage,… La combinaison émission/réception est possible et améliore encore la diversité. Les chemins multiples (fast fading) peuvent compromettre ce principe => Egalisation multi-voies.

puis formation du faisceau en conséquence CONNAISSANCE DE LA DOA Utilisation en 2 temps : détermination de la DOA grâce au signal reçu de l’utilisateur (+interférents) puis formation du faisceau en conséquence Algos les plus utilisés : MVDR (Minimum Variance Distortionless Responce) Pour la DOA : MUSIC ou ESPRIT

ILLUSTRATION

Traitement lourd et difficile en temps réel ALGORITHMES AVEUGLES Tentent d’extraire les caractéristiques du canal des informations reçue dans le signal Traitement lourd et difficile en temps réel Souvent associés aux autres techniques (semi-aveugle)

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 d’antennes, réseaux de pondération, processeurs de calcul...); la rapidité des algos.

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