Antennes intelligentes dans les systèmes de communication mobile

La propagation hors espace libre

Les situations les plus courantes de propagation des systèmes de radiocommunication sont loin d’être en espace libre. Les obstacles de différentes formes géométriques et de diverses caractéristiques physiques perturbent la propagation. Ces perturbations se traduisent par des fluctuations de la puissance du signal reçu en fonction de la distance comme l’illustre la figure I-3. Les pertes en fonction de la distance et les effets de masquage [1] sont les phénomènes à l’origine de ces variations. La décroissance en 1/d est la principale perte de puissance. La densité de puissance se réduit au fur à mesure que l’onde s’éloigne de sa source jusqu’à atteindre l’antenne réceptrice. L’influence des obstacles rencontrés par l’onde varie selon leurs configurations. En plus de la décroissance de la densité de puissance en fonction de la distance, entre l’antenne d’émission et l’antenne de réception, le signal subit deux types de pertes : pertes à petite et grande échelle. Comme le décrit la figure I-3, les pertes à grande échelle définissent les fluctuations de la puissance moyenne mesurées sur un déplacement de plusieurs dizaines de longueurs d’onde. Les fluctuations à petite échelle sont observées sur un déplacement suffisamment petit (quelques longueurs d’onde). La présence d’obstacles dans l’environnement de propagation causant l’apparition de différentes répliques du signal émis au niveau du récepteur est la cause principale de ces variations. Selon leurs phases d’arrivée au niveau de l’antenne, la somme de ces répliques peut être constructive ou destructive. C’est la source du phénomène d’évanouissement. Ces obstacles naturels (sol, arbres, bâtiments, etc.) se trouvent sur le trajet de l’onde. Il en résulte une multitude de trajets et donc, une multitude d’ondes retardées, atténuées et déphasées au niveau du récepteur.

Diversité spatiale

Dans ce travail, nous nous intéressons plus particulièrement à la diversité spatiale, ou diversité d’antenne. Elle consiste à émettre ou recevoir l’information par plusieurs antennes, séparées dans l’espace d’au moins la distance de cohérence, qui correspond à la séparation minimale des antennes garantissant un évanouissement indépendant et dépend donc de l’angle de départ et/ou d’arrivée des multi-trajets. Cette distance de cohérence peut varier très largement selon le type et l’emplacement de l’antenne considérée. Des mesures empiriques ont montré une forte corrélation entre la hauteur de l’antenne d’une station de base et la distance de cohérence [9]. De grandes antennes imposent ainsi une grande distance de cohérence. Du côté du mobile, en revanche, généralement plus bas en altitude et donc soumis à de nombreux échos, la distance de cohérence reste raisonnable. D’une manière générale, une séparation de 0.4λ à 0.6λ semble adéquate pour le mobile, alors que pour une station de base, elle peut atteindre plus de 10λ. Conclusion Dans ce chapitre, nous avons présenté quelques généralités sur les transmissions numériques et des rappels importants concernant la propagation en/hors espace libre. Les modèles de canaux que nous utiliserons dans ce mémoire ont été décrits, en particulier les canaux à évanouissements qui caractérisent les communications radio-mobiles. De même, quelques grandeurs importantes qui caractérisent le canal de propagation ont été brièvement présentées. Ces paramètres : temps de cohérence, bande de cohérence, modèle de canal,…. sont à prendre en compte lors de la conception d’un système de radiocommunication. Dans le chapitre suivant nous présenterons les différentes techniques d’accès multiples et modulation multi-porteuses OFDM et MC-CDMA ainsi que les principaux architecteurs des émetteurs et des récepteurs de ces techniques.

Modulation multi-porteuse OFDM [13]

Le principe de la modulation multi-porteuse OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est de convertir un flux de données série de haut débit en des sous-flux de données parallèles avec un débit faible, et chaque sous-flux module une sous-porteuse différente. Puisque le débit dans chaque sous-porteuse est faible par rapport au débit initial, l’effet des interférences (ISI) diminue significativement ce qui va réduire la complexité d’égaliseur. Un exemple de modulation multi-porteuse avec un nombre de sous-porteuses Nc=4 est décrit dans la figure II.4. A noter que la représentation à trois dimensions temps/fréquence/densité de puissance, dans la figure II.4 est utilisée pour illustrer les principes des systèmes multi porteuses et les systèmes d’étalement de spectre par la suite. Un but important de design pour les systèmes de transmission multi-porteuses OFDM, est que le canal radio mobile peut être considéré comme invariant dans le temps durant un symbole OFDM et le fading comme plat (flat) par sous canal. Donc, la durée d’un symbole OFDM doit être plus petite que le temps de cohérence du canal (Δt)c et la bande de fréquence entre les sous-porteuses inférieure à la bande de cohérence (Δf)c du canal. Par vérification de ces conditions, la réalisation des récepteurs moins complexe est possible. Un système de communication qui utilise la modulation multi-porteuse, transmis Nc symboles source de valeurs complexes Sn, n=0,…,Nc−1, en parallèle dans Nc sous- porteuses différentes. Les symboles sources sont en générales obtenues après codage de source et de canal, entrelacement et opération de mapping. Après la conversion série-parallèle (voir figure II.4), la durée d’un symbole OFDM sera :

La densité spectrale de puissance pour un symbole OFDM avec 16 sous-porteuses en fonction de la fréquence normalisée fTd est décrite par un trait continu dans la figure II.5 (à noter que cette courbe est décalée vers le centre des fréquences et que tous les symboles sont transmis avec la même puissance). Le premier avantage dans l’utilisation de l’OFDM est que la modulation multi-porteuse peut être facilement implémentée dans le domaine discret en utilisant IDFT ou IFFT. L’IDFT qui a comme coefficients la séquence des symboles d’information, n’est rien d’autre que l’échantillonnage de l’enveloppe complexe x(t) à la fréquence 1 /Td. Elle est donnée par : ( ) Σ (II.16) Le diagramme en bloc d’un émetteur/récepteur OFDM est donné dans la figure II.6. Quand le nombre de sous-porteuse augmente, la durée d’un symbole OFDM devient plus large par rapport au retard maximal du canal τmaxet par conséquent, les ISI diminuent significativement. Cependant pour éviter complètement l’ISI et ICI on ajoute un intervalle degarde entre les symboles OFDM adjacents. Cet intervalle doit être d’une durée : Cette séquence va passer à travers un convertisseur numérique/analogique dont la sortie est un signal de forme d’onde x(t), de durée T’s, qui sera transmis à travers le canal radio mobile (voir figure II.6). La sortie du canal est obtenue après convolution de x(t) avec la réponse impulsionnelle h (τ, t)et l’addition du bruit n(t) : ( ) ∫ ( ) ( ) ( ) (II.21) Le signal reçu y(t) va passer à travers un convertisseur analogique/numérique, dont la sortie est la séquence yʋ, ʋ=-Lg,…, Nc-1 qui est l’échantillonnage du y(t) à la fréquence 1/Td. Puisque l’ISI existe seulement dans les Lg premiers échantillons de la séquence reçue, ces échantillons sont enlevés avant une démodulation multi-porteuse. La partie des échantillons yʋ libre d’ISI (υ=0,…,Nc−1) est démodulé par inverse OFDM en utilisant l’DFT. La séquence démodulé Rn est donnée par :

Antennes intelligentes dans les systèmes de communication mobile Dans les extrémités d’une chaîne de transmission sans fil, on retrouve les antennes. Elles constituent l’interface avec l’espace libre. Ce sont donc des transducteurs qui vont permettre le couplage de l’énergie de l’espace en mode réception vers l’espace en mode transmission, Plusieurs antennes de base ou avancées sont utilisées pour les télécommunications sans fil, et La majorité des systèmes de communication sans fil actuels utilisent des antennes omnidirectionnelles ou des antennes sectorielles dont le diagramme de rayonnement est statique. Cela présente le désavantage de transmettre parfois le signal dans des directions Où aucun utilisateur n’est présent. En plus de ce gaspillage d’énergie électromagnétique, les interférences par canaux adjacents se multiplient. Notons aussi le problème de trajets multiples qui cause le phénomène d’évanouissement des signaux à la réception. Pour remédier à ces problèmes et exploiter la dimension spatiale ,les systèmes de Communication sans fil font de plus en plus appel aux antennes intelligentes et les algorithmes associés .Comme une antenne intelligente est capable de changer et de reconfigurer dynamiquement son diagramme de rayonnement, le signal de communication n’est transmis que vers la direction de l’utilisateur désiré, réduisant d’une façon remarquable les interférences et les trajets multiples ,tout en améliorant l’efficacité spectrale et l’efficacité énergétique du système. L’objectif de ce chapitre et de démontrer la faisabilité des antennes intelligentes. Les principes de fonctionnement, type des antennes intelligentes, avantages des antennes intelligentes, Nous essayerons de démontrer que l’exploitation de la dimension spatiale via un réseau d’antennes peut améliorer considérablement l’efficacité d’un système de communication sans fil donné.

Antennes adaptatives

Depuis les travaux précurseurs menés par Howells et Applebaum de l’université de Syracuse dans les années 60, les antennes adaptatives font l’objet d’un effort de recherche important. Initialement développées pour des applications en radar, sonar et sismologie, elles ont depuis environ deux décennies fait leur apparition dans le domaine des radiocommunications fixes et mobiles.[23] Les systèmes à antennes adaptatives s’adaptent constamment à l’environnement radio au fur et à mesure de ses changements. Ils reposent sur des algorithmes de traitement du signal sophistiqués permettant de distinguer en permanence les signaux utiles des signaux issus des trajets multiples et des brouilleurs et de calculer leurs directions d’arrivée. Grâce à la capacité de poursuite précise et de rejet d’interférence, plusieurs utilisateurs peuvent se partager le même canal à l’intérieur de la même cellule [24]. Cette antenne focalise son lobe principal dans la direction ou une source est détectée. Avec les systèmes des antennes adaptatives, il est possible de réaliser de plus grandes performances que celles obtenues en utilisant le système de SBA (Switching Beam Antenna). En commutant les faisceaux d’une antenne multifaisceaux, il est aisé d’exclure les équipements brouilleurs ou brouillés qui ne se trouvent pas sur le faisceau principal. Théoriquement, une antenne à M composants peut supprimer (M-1) brouilleurs en appliquant une pondération adéquate aux éléments [25]. En pratique, cette capacité de suppression diminue en présence des composantes multi-trajets. L’amélioration de cette technique peut être obtenue en la combinant avec la technique CDMA, ou avec une égalisation adaptative