Antennes adaptatives et principales caractéristiques techniques

Introduction

Le présent Rapport définit les principales notions liées aux antennes adaptatives et décrit les caractéristiques techniques de ces antennes. Dans l’analyse et la conception des systèmes hertziens, on a depuis toujours dissocié l’examen des systèmes d’antenne de celui d’autres aspects essentiels comme:

–       les problèmes de propagation;

–       les techniques de limitation des brouillages;

–       l’organisation du système (techniques d’accès, commande de puissance, etc.);

–       la modulation.

L’utilisation d’antennes adaptatives est tout indiquée dans une conception globale du système, c’est‑à‑dire lorsque toutes les composantes, y compris le système d’antenne, sont intégrées de façon optimale, ce qui améliore sensiblement la couverture (zone de couverture plus grande, moins de «trous» dans la couverture) pour chaque cellule ainsi que la capacité du système et permet de réduire considérablement les brouillages.

Dans le présent Rapport, on examine les diverses notions liées aux antennes adaptatives, ainsi que la notion de «canaux spatiaux»; les possibilités offertes par cette technologie sont analysées théoriquement et les principales caractéristiques sont définies. On trouvera à l’Annexe 1 un glossaire de termes concernant les systèmes d’antennes adaptatives.

Recommandations connexes

Les Recommandations suivantes de l’UIT-R peuvent être utiles en ce sens qu’elles concernent les systèmes mobiles auxquels les notions examinées ici se rapportent plus ou moins directement:

Recommandation UIT-R M.622:    Caractéristiques techniques et d’exploitation de systèmes cellulaires analogiques pour le service téléphonique public mobile terrestre

Recommandation UIT-R M.1032:  Caractéristiques techniques et d’exploitation des systèmes mobiles terrestres faisant appel à des techniques d’accès multivoies sans unité d’échange centrale

Recommandation UIT-R M.1033:  Caractéristiques techniques et d’exploitation des téléphones sans cordon et des systèmes de télécommunication sans cordon

Recommandation UIT-R M.1073:  Systèmes mobiles terrestres cellulaires numériques de télécommunication

Recommandation UIT-R M.1074:  Intégration des systèmes de radiocommunication mobiles publics

Recommandation UIT-R M.1221:  Prescriptions techniques et opérationnelles applicables aux stations de radiocommunication mobiles multimode cellulaires

Recommandation UIT-R M.1457:  Spécifications détaillées des interfaces radioélectriques des télécommunications mobiles internationales-2000 (IMT‑2000)

Recommandation UIT-R M.1678: Antennes adaptatives pour systèmes mobiles

Recommandation UIT-R SM.856: Nouvelles techniques et nouveaux systèmes économes de spectre.

Antennes et antennes adaptatives

Antennes et couverture

Les antennes adaptatives peuvent être définies comme des antennes-réseaux avec traitement du signal qui peuvent modifier leur diagramme de rayonnement de façon dynamique pour s’adapter au bruit, au brouillage et à la propagation par trajets multiples. Elles sont utilisées pour améliorer le rapport signal/bruit+brouillage (SINR) à la réception et peuvent également être considérées comme des antennes à faisceaux modelés pour l’émission. De même, les systèmes à commutation de faisceaux utilisent un certain nombre de faisceaux fixes sur le site de l’antenne. Le récepteur sélectionne le faisceau qui renforce le plus l’intensité du signal et limite le plus les brouillages. Les systèmes à commutation de faisceaux ne peuvent pas être aussi performants que les systèmes adaptatifs mais ils sont beaucoup moins complexes et beaucoup plus faciles à moderniser. Enfin, les antennes adaptatives sont définies comme des systèmes qui peuvent associer des technologies d’antennes adaptatives et des technologies de faisceaux commutés. Un glossaire de termes utiles relatifs aux antennes adaptatives est donné dans l’Annexe 1; dans le présent paragraphe, la terminologie et son utilisation générale sont examinées plus avant.

Le lecteur est mis en garde contre le fait qu’il peut y avoir certaines variations dans l’utilisation de la terminologie: par exemple, on qualifie parfois les systèmes non adaptatifs ou les systèmes sans commutation de systèmes intelligents, simplement parce qu’une électronique radioélectrique est fixée sur le mât d’antenne, et souvent les expressions «systèmes adaptatifs» et «systèmes à formation de faisceaux» sont utilisées de façon lâche ou étroite. (Par exemple, la Recommandation UIT‑R SM 856, qui, semble-t-il, est la seule autre Recommandation de l’UIT-R où l’on parle d’antennes adaptatives, utilise le terme «adaptatif» correctement mais donne brièvement un exemple où ce terme était utilisé de façon très étroite et très spécifique pour un ancien système en ondes métriques.) Par ailleurs, il faut faire attention lorsque le terme «adaptatif» est utilisé pour les systèmes mobiles terrestres, sans autre qualificatif, par exemple lorsqu’il est appliqué au contrôle dynamique de la modulation, des ressources de largeur de bande, du codage, de la puissance ou d’autres attributs de protocole d’une interface radioélectrique.

Adaptées à des environnements RF simples où l’on ne connaît pas précisément l’emplacement de l’utilisateur, les antennes équidirectives diffusent les signaux et une fraction minime seulement de l’énergie globale rayonnée est utilisée pour atteindre les utilisateurs (ou inversement, pour les émissions depuis l’utilisateur vers la station de base).

Compte tenu de cette limitation, on essaie avec les antennes équidirectives de surmonter les problèmes de propagation en augmentant simplement l’intensité des signaux. Dans des configurations où les utilisateurs (et par conséquent les brouilleurs) sont nombreux et relativement proches les uns des autres, les choses s’aggravent, en ce sens que la plus grosse partie de l’énergie du signal RF devient une source de brouillage potentielle pour d’autres utilisateurs de la même cellule ou de cellules adjacentes et le volume d’information acheminé par la liaison n’augmente pas.

En liaison montante (utilisateur vers station de base), les antennes équidirectives n’apportent aucun avantage de gain pour les signaux des utilisateurs desservis et limitent la portée des systèmes. Dans cette méthode non globale il n’y a pas non plus de possibilité de limitation de la propagation par trajets multiples.

Par conséquent, les antennes équidirectives ont une incidence directe et négative sur l’efficacité spectrale et limitent la réutilisation des fréquences.

Une simple antenne peut également être conçue de façon à avoir certains sens d’émission et de réception préférentiels: aujourd’hui de nombreux systèmes d’antenne classiques subdivisent ou «sectorisent» les cellules. Avec les systèmes d’antennes sectorielles, la zone couverte par une cellule classique est subdivisée en «secteurs» qui sont desservis par plusieurs antennes directives situées sur le site de la station de base. Du point de vue de l’exploitation, chaque secteur est traité comme une cellule différente. Les antennes directives ont un gain plus élevé que les antennes équidirectives, toutes choses étant égales par ailleurs; les secteurs desservis par ces antennes sont donc plus étendus que ceux desservis par une antenne équidirective. Cette sectorisation en cellules permet d’améliorer la réutilisation des canaux en limitant le brouillage causé par la station de base et ses utilisateurs au reste du réseau et on utilise beaucoup ce type de cellules à cette fin. Pour les services commerciaux, on a utilisé jusqu’à six secteurs par cellule.

Systèmes d’antennes adaptatives et systèmes à diversité

Dans ce contexte, il est important de comprendre ce que l’on entend par diversité. Comme l’a indiqué Winters [1], les trois principaux handicaps des systèmes hertziens cellulaires peuvent être regroupés en trois catégories, à savoir les évanouissements dus à la propagation par trajets multiples, l’étalement du temps de propagation et le brouillage dans le même canal. Comme on l’expliquera plus loin, l’utilisation d’antennes multiples, M, en nombre, permet généralement d’augmenter le gain de M et, en outre, d’assurer une diversité de gain pour lutter contre les évanouissements dus à la propagation par trajets multiples. Le gain M peut être assimilé à la réduction de puissance requise à la réception pour un rapport S/N en sortie moyen donné (indépendamment de l’environnement) alors que la composante gain de diversité (uniquement présente lorsque la propagation par trajets multiples est évidente) est la réduction du rapport S/N moyen en sortie requis pour un taux d’erreur donné en présence d’évanouissements. Ainsi, les systèmes d’antenne à diversité spatiale intègrent deux ou plus de deux éléments d’antenne dont l’espacement physique est utilisé pour lutter contre les effets négatifs de la propagation par trajets multiples.

La diversité améliore la puissance effective du signal reçu si on utilise l’une des deux méthodes suivantes:

–       La diversité avec commutation: en supposant que l’emplacement d’une antenne au moins sera favorable à un moment donné, le système passe en permanence d’une antenne à l’autre (connectant chacun des canaux de réception à l’antenne la mieux située) pour choisir l’antenne pour laquelle l’énergie du signal est maximale. La technique de diversité avec commutation réduit l’évanouissement du signal, mais n’augmente pas le gain étant donné qu’on utilise une seule antenne à un moment donné pas plus qu’elle ne limite les brouillages.

–       La combinaison en diversité: les signaux provenant de chaque antenne sont combinés de façon cohérente pour produire un gain. Dans les systèmes à combinaison maximale des rapports, les signaux de sortie de toutes les antennes sont combinés afin d’optimiser le rapport énergie du signal reçu combiné/bruit.

Contrairement aux systèmes à diversité avec commutation, la combinaison en diversité utilise à tout moment, pour chaque utilisateur, tous les éléments d’antenne pour créer un diagramme de rayonnement d’antenne équivalent qui s’adapte de façon dynamique à l’environnement de propagation. Il n’est toutefois pas assuré que cette méthode maximise le gain pour tel ou tel utilisateur. Etant donné que les algorithmes qui déterminent la stratégie de combinaison s’efforcent de maximiser l’énergie totale du signal et non celle d’un utilisateur particulier, le diagramme d’antenne équivalent peut en fait fournir un gain de crête à des éléments rayonnants autres que l’utilisateur désiré (utilisateurs cocanal dans d’autres cellules, par exemple). Cela est particulièrement vrai en présence de brouillages importants qui caractérisent les systèmes cellulaires à forte charge de trafic.

Systèmes d’antenne et brouillage

Des systèmes d’antenne plus sophistiqués peuvent atténuer l’autre handicap des systèmes hertziens cellulaires, à savoir le brouillage cocanal. Pour l’émission, l’objectif est de concentrer la puissance RF vers chaque utilisateur d’un canal radioélectrique uniquement lorsque cela est nécessaire, limitant ainsi les brouillages causés à d’autres utilisateurs dans des cellules adjacentes. Pour la réception, le but est de fournir un gain de crête dans la direction de l’utilisateur désiré tout en limitant la sensibilité aux brouillages dans la direction des autres utilisateurs du même canal. Cela suppose l’utilisation d’un système d’antenne disposant de fonctions d’orientation de faisceau instantanées. Pour ce faire, on peut utiliser la technique des antennes-réseaux à commande de phase, en particulier les techniques numériques de formation de faisceaux.Par ailleurs, l’utilisation d’un grand nombre d’éléments d’antenne simples confère une nouvelle dimension au traitement de la diversité