Antennes Intelligentes 1 ANTENNES INTELLIGENTES Antennes Intelligentes 2 PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILES Comment garantir à la fois un débit important.

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2 Antennes Intelligentes 1 ANTENNES INTELLIGENTES

3 Antennes Intelligentes 2 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...)

4 Antennes Intelligentes 3 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

5 Antennes Intelligentes 4 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

6 Antennes Intelligentes 5 DEPLOIEMENT OMNIDIRECTIONNEL Cellules co-canal

7 Antennes Intelligentes 6 DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL 0.5 1 1.5 2 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Remplacement d’une cellule omnidirectionnelle par trois secteurs de 120°

8 Antennes Intelligentes 7 DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL Cellules co-canal

9 Antennes Intelligentes 8 DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL 0.5 1 1.5 2 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 0 Avantages : Meilleure gestion des puissances Meilleure réutilisation des fréquences Surcoût faible valeur avec ant. omnidirectionnelles valeur avec ant. sectorielles

10 Antennes Intelligentes 9 UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE L’utilisation de 2 antennes espacées permet de limiter les affaiblissements dûs aux trajets multiples

11 Antennes Intelligentes 10 UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE Techniques de diversité spatiale mais aussi fréquentielle, temporelle ou de polarisation

12 Antennes Intelligentes 11 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.

13 Antennes Intelligentes 12 BALAYAGE DE FAISCEAUX Permet encore un gain significatif, mais avec une structure physique plus lourde

14 Antennes Intelligentes 13 Problématique –Comment peut-on combiner plusieurs antennes en réception pour améliorer au mieux le signal ??? ANTENNES ADAPTATIVES EN RECEPTION

15 Antennes Intelligentes 14 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 »)

16 Antennes Intelligentes 15 Deux signaux reçus, décalés (déphasés) DIFFERENCE DE TRAJET SUR 2 ANTENNES

17 Antennes Intelligentes 16 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 :

18 Antennes Intelligentes 17 Modèle plus général : N capteurs chaque capteur reçoit un signal modifié par le canal fonction de transfert du canal

19 Antennes Intelligentes 18 Modèle en bande étroite : on peut assimiler Hi à une constante complexe

20 Antennes Intelligentes 19 Combinaison dans un environnement de bruit blanc PRISE EN COMPTE DU BRUIT

21 Antennes Intelligentes 20 –Signal reçu : –on choisit un filtre tel que : –prenons : UTILISATION DE FILTRE

22 Antennes Intelligentes 21 Exemple des 2 antennes : –le filtre correspondant : pondération de phase

23 Antennes Intelligentes 22 Sélectivité : –2 sources : –on focalise avec le bon filtre sur M0. 00 11

24 Antennes Intelligentes 23 –Conséquence sur le signal reçu : 00 11

25 Antennes Intelligentes 24 Démos …… 0 x y 2d 

26 Antennes Intelligentes 25 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800  0 =0

27 Antennes Intelligentes 26 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800  0 =  /4

28 Antennes Intelligentes 27 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800  0 =  /2

29 Antennes Intelligentes 28 Conséquence sur le niveau de bruit –si un seul capteur : bruit N; DSP :  (f) –si plusieurs capteurs : matrice d’intercorrélation spectrale Matrice de cohérence spatiale

30 Antennes Intelligentes 29 Matrice d’intercorrélation spectrale –après filtrage : –le gain en SNR lié au filtrage :

31 Antennes Intelligentes 30 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

32 Antennes Intelligentes 31 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> /2.

33 Antennes Intelligentes 32 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

34 Antennes Intelligentes 33 S I REJECTION D’INTERFERENCE But : atténuer le plus possible l’influence d’un signal interférent sur la réception du signal utile

35 Antennes Intelligentes 34 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

36 Antennes Intelligentes 35 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Interférent bien filtré Interférent mal filtré S I S I

37 Antennes Intelligentes 36 –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 l’interférent I est caractérisé par son filtre propre H 1. –Chercher un filtre qui maximise S en minimisant I.

38 Antennes Intelligentes 37

39 Antennes Intelligentes 38 –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

40 Antennes Intelligentes 39 0.2 0.4 0.6 0.8 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 0  0 =  /4;  int =[  /3,0] ; 4 antennes, 2d=0.5 filtre classique

41 Antennes Intelligentes 40 0.5 1 1.5 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800  0 =  /4;  int =[  /3,0] ; 4 antennes, 2d=0.5 filtre avec réjection

42 Antennes Intelligentes 41 Applications dissocier le signal émis par un mobile utile, des signaux émis par des mobiles dans les cellules voisines

43 Antennes Intelligentes 42 Applications dissocier les signaux émis par 2 mobiles utiles (ou N), simultanément.

44 Antennes Intelligentes 43 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

45 Antennes Intelligentes 44 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.

46 Antennes Intelligentes 45 –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.

47 Antennes Intelligentes 46 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.

48 Antennes Intelligentes 47 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)

49 Antennes Intelligentes 48 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

50 Antennes Intelligentes 49 Emission alternée d’un symbole sur A 1 et A 2 : h1h1h1h1 h2h2h2h2

51 Antennes Intelligentes 50 Algorithme de détection : l ’algorithme travaille sur 2 périodes 1ère impulsion : 2ième impulsion : combinaison : inconvénient : on divise le débit par 2.

52 Antennes Intelligentes 51 Emission simultanée de 2 symboles sur A 1 et A 2 : h1h1h1h1 h2h2h2h2

53 Antennes Intelligentes 52 Algorithme de détection : l ’algorithme travaille sur 2 périodes 1ère impulsion : 2ième impulsion : combinaison :

54 Antennes Intelligentes 53 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.

55 Antennes Intelligentes 54 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

56 Antennes Intelligentes 55 ILLUSTRATION

57 Antennes Intelligentes 56 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)

58 Antennes Intelligentes 57 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.

59 Antennes Intelligentes 58 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 ?