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Le signal subit des perturbations de plusieurs natures qui peuvent dégrader la transmission. En effet, les ondes émises vont se réfléchir, être diffractées et diffusées par les obstacles. A la réception, la recombinaison des trajets peut être constructive mais également destructive. Dans ce dernier cas, la liaison subit des évanouissements. Les multi-trajets, sources d’évanouissements, est un inconvénient majeur dans le cas des communications mobiles urbaines et indoor. Ce phénomène dégrade le canal mais il est également possible d’en tirer parti au profit des performances [4]. A titre d’exemple, dans le cas d’une liaison NLOS (Non Line Of Sight) où il y a absence de trajet direct, les multi-trajets constituent l’unique possibilité de transmission d’information. Grâce aux interactions des ondes avec l’environnement et à l’utilisation de plusieurs antennes au niveau du terminal, la communication est alors envisageable. C’est pourquoi nous détaillons dans ce chapitre, les techniques multi-antennaires. On s’intéressera ensuite, aux outils permettant l’évaluation de la diversité. D’autre part, les systèmes sans fil nécessitent l’intégration de différents services dans un même terminal communicant. Dans le même temps, ces terminaux de communication sans fil tendent à devenir plus compacts. Par conséquent, la place disponible pour les circuits radio fréquence et notamment l’antenne est réduite. L’objectif est donc de développer des systèmes antennaires les plus petits possibles, fonctionnant sur des fréquences relativement basses, tout en garantissant des performances optimales. Ce chapitre recense les stratégies mises en œuvre au niveau antennaire permettant de répondre à cet objectif. Un état de l’art des systèmes antennaires compacts destinés au standard LTE est établi et leurs performances comparées.
Techniques multi-antennaires
Les systèmes multi-antennaires permettent de contrer ou éventuellement de tirer profit des effets de multi-trajets en exploitant la dimension spatiale du canal. Selon leur utilisation à l’émission, et/ou à la réception, les systèmes ayant plusieurs antennes sont respectivement définis comme MISO (Multiple Input Single Output), SIMO (Single Input Multiple Output) et MIMO (Multiple Input Multiple Output). Afin d’augmenter les performances des communications (qualité de transmission, débit), deux démarches sont généralement adoptées [5]. La première consiste à augmenter le niveau du rapport signal à bruit (RSB). Cela permet soit d’améliorer la qualité de transmission, ou d’employer de forts taux de modulation [6]. Les symboles pourront être codés sur un grand nombre de bits permettant l’accroissement de l’efficacité spectrale [6]. L’augmentation du RSB peut être atteinte en augmentant le niveau de puissance à l’émission. Cependant, cette solution n’est pas envisageable car en plus d’avoir des problèmes de surconsommation des dispositifs, la réglementation impose des niveaux de PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) à respecter. Ainsi, des techniques alternatives sont mises en place comme la formation de faisceau et les techniques de diversité. La seconde solution est le multiplexage spatial des données à transmettre. Sans avoir recours à une plus large bande passante ni à des modulations à plus forte efficacité spectrale, le multiplexage permet d’augmenter le débit des données. En résumé, les performances peuvent être améliorées par deux méthodes :
1. Augmentation du rapport signal à bruit
a) Formation de faisceau
b) Techniques de diversité
2. Multiplexage des données
Les sections suivantes présentent ces méthodes afin de trouver celles qui sont adaptées à notre problématique. A savoir celles qui permettent l’utilisation d’un système antennaire dans un encombrement réduit.
La formation de faisceau
Les systèmes d’antennes intelligentes sont capables de réagir automatiquement, et en temps réel à des variations du canal de propagation, en ajustant, leurs propres diagrammes de rayonnement [7]. Les techniques de formation de faisceau s’appuient sur le contrôle des pondérations en amplitude et en phase des signaux excitant chaque source du réseau. Une commande électronique est présente afin de calculer ces pondérations. Elle permet de créer des lobes de faisceau dans des directions privilégiées afin de maximiser le niveau de puissance du signal désiré. De plus, il est également possible de présenter des zéros de rayonnement dans les directions d’incidence des interférences afin de les diminuer fortement. C’est ce qu’on appelle du filtrage spatial. Le concept d’antennes intelligentes n’est pas récent et était déjà employé dans des applications spatiales et militaires avant son utilisation en télécommunication terrestre civile pour améliorer les capacités de transmission [8].
Il est possible de classer les antennes intelligentes en deux groupes: les antennes adaptatives et les antennes à faisceaux commutables. Les premières, plus performantes mais aussi plus complexes à mettre en œuvre, sont capables de former plusieurs faisceaux et de placer des zéros de rayonnement dans les directions souhaitées. Les secondes, moins complexes, offrent un nombre limité de configurations du diagramme. Suivant l’environnement, un compromis devra être fait entre les antennes adaptatives, complexes et coûteuses en composants (déphaseurs/applicateurs, convertisseurs numériques/analogiques) mais performantes, et les antennes à faisceaux commutables aux performances plus limitées mais aussi moins gourmandes en ressources en termes de traitement associé. En raison de sa complexité de mise en œuvre, une antenne adaptative sera plus facilement utilisée pour une station de base alors que pour un terminal mobile, de taille et de consommation limitées, une antenne à faisceaux commutables apparaît être un bon compromis [9]. Pour la station de base, un algorithme de prédiction de direction d’arrivée pourra renseigner la position du mobile alors que ce dernier se contentera d’utiliser la configuration de rayonnement pour laquelle il reçoit un maximum de puissance.
La diversité d’antennes
Le principe repose sur le fait que les signaux reçus sur plusieurs antennes distinctes peuvent être décorrélés. Autrement dit, les signaux reçus sont indépendants les uns des autres deux à deux. La première conséquence de cette décorrélation est que les évanouissements subis par chaque antenne sont différents. Jakes explique dans [10] que la probabilité que deux antennes recevant des signaux décorrélés subissent un évanouissement d’au moins 20 dB simultanément est de 0.01% alors qu’elle est de 1% sur chaque antenne individuellement. Ainsi, la diversité permet de se prémunir de ce type de dégradation ce qui a pour conséquence d’augmenter le niveau de rapport signal à bruit global de la liaison. De plus, une recombinaison judicieuse des signaux de chaque antenne permet d’augmenter le rapport signal à bruit instantané: l’information utile reçue par les antennes est à priori identique alors que le bruit sur chaque antenne est en théorie indépendant. Dans ce contexte, il est possible de définir plusieurs formes de diversité que nous allons expliciter.
La diversité d’espace
Pour recevoir des signaux décorrélés, la première approche consiste à espacer physiquement les antennes. La distance minimale à respecter est de l’ordre d’une fois la longueur d’onde du signal pour le mobile. Elle peut atteindre plus de dix fois la longueur d’onde pour une station de base, de façon à garantir une réception de signaux à évanouissements indépendants les uns des autres. Cette technique a été baptisée diversité d’espace.
La distance inter-antennes nécessaire pour diminuer la corrélation entre les signaux reçus dépend du canal de propagation. Dans le cas d’un terminal mobile, ce dernier est supposé évoluer dans un environnement fortement soumis aux multi-trajets (milieux urbains, intrabâtiments) provenant de différentes directions. Ainsi, une faible séparation (inférieure à la longueur d’onde) peut suffire à introduire un retard de propagation significatif afin de décorréler les signaux.
La diversité d’espace offre une augmentation réelle des performances des communications. Cependant, son principal défaut réside dans l’encombrement du système antennaire. C’est pourquoi, il peut être préférable, en termes d’encombrement, d’apporter de la diversité en agissant sur les propriétés des antennes (diagrammes de rayonnement, polarisation, phase) [11].
Introduction et contexte |
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