Diversité des systèmes multi-antennaires

Principe de la diversité 

Le signal transmit allons de l’émetteur au récepteur subie plusieurs sortes d’atténuations comme L’affaiblissement de parcours, L’évanouissement rapide…etc. Cependant le plus imprévisible des évanouissements est l’évanouissements de Raleigh qui est due essentiellement au multi trajet suivie par les signaux causant leur arriver de façons cumulatifs ou soustractive provoquant des variations continues et imprévisibles des phases des signaux suivant le temps, entraînant des évanouissements répétitifs. Une technique de réception spéciale appelée combinaison de récepteurs multiples mais plus connu sous le nom de diversité est envisageable[6]. Le principe de base de la diversité est que le récepteur doit disposer de plusieurs versions du signal transmis et une bonne combinaison d’antennes pour avoir des signaux à évanouissement indépendants, mais aussi une bonne technique de combinaison de signaux permettant de maximiser le SNR moyen à la sortie[7].

Micro-diversité 

Cette technique consiste à équiper l’émetteur et/ou le récepteur par des antennes multiples, ainsi, des configurations différentes sont possibles pour un système utilisant des antennes multiples dans un contexte de micro-diversité, il existe plusieurs configurations allant de la SISO à la MIMO passant par la MISO et la SIMO ce sont des méthodes qui vont être utiliser pour configurer les systèmes[6].

Macro-diversité 

Cette technique consisteàutiliserplusieurs antennes mais sur des terminaux distincts l’avantage de cette dernière est qu’elle permet à un récepteur ayant un certain nombre d’antennes de s’associer à un ou plusieurs autres terminaux, ainsi il va gagner en diversité et améliorer la qualité et le débit mais ce qu’il faut savoir ces comment se fait cette coopération[6].

➢ Les systèmes MIMO de macro-diversité : ce sont des systèmes d’antennes multiples à l’émission et à la réception qui sont différents des systèmes de micro-diversité, ces antennes sont placées sur des émetteurs et des récepteurs distincts. Un exemple d’un système de macro-diversité avec 2 antennes à l’émission et 2 antennes à la réception .

➢ Systèmes à relais : consiste à assister la transmission de donnée par un ou plusieurs terminaux intermédiaires qu’on appelle relaie .

Combinaison par commutation 

Cette technique est caractérisée par l’utilisation d’un seul récepteur radio entre les N branche contrairement aux autres techniques qui utilisent N récepteurs radio, un récepteur pour chaque branche. A chaque instant, la branche ayant le signal supérieur au seuil fixé est sélectionné ou branché. Mais dès que le signal est inférieur au seuil, alors il y a commutation sur une autre branche. Ce seuil dépend du domaine d’utilisation de la diversité et peut être fixé par les fabricants.

Due à la taille limitée du terminal mobile, la technique de combinaison par commutation est la technique qui est actuellement implémentée dans la plupart des terminaux utilisant la diversité d’antennes [7].

Combinaison par sélection 

La combinaison par sélection est similaire à celle de la technique par commutation, excepté que N récepteurs radios sont requis. Elle consiste à choisir le signal ayant la puissance maximale ou le meilleur rapport signal sur bruit (SNR) parmi tous les signaux indépendants arrivant aux récepteurs.

Combinaison par gain égal
Les deux techniques précédentes n’utilisent que le signal d’une branche à chaque instant comme signal de sortie. Pour améliorer la puissance moyenne du signal de sortie, les signaux de toutes les branches peuvent être combinés pour former le signal de sortie. Cependant, les signaux de toutes les branches ne sont pas en phase. Chaque signal doit donc être multiplié par un Co-phraseur pour que les signaux ne soient plus déphasés.

Combinaison par rapport maximal
La technique de combinaison par gain égal présente un inconvénient majeur est que si l’une des branches a un signal très faible, cela entraînera une réduction du signal combiné à la sortie. La technique MRC interviens pour régler le problème en appliquant un coefficient de pondération sur chaque branche avant que tous les signaux ne soient combinés Ainsi pour maximiser le signal à la sortie du combineur, une branche avec un SNR élevé, donnera un coefficient de pondération élevé ce qui permettra de choisir les signaux à combiner [7].

Gain en diversité et corrélation 

Corrélation
Pour l’obtention d’une bonne diversité plusieurs condition doivent être satisfaite, l’une d’entre elle c’est d’avoir une faible corrélation entre les signaux sur les différentes antennes de notre système. La corrélation entre deux signaux reçus peut être décrite par le coefficient de corrélation complexe ou par l’enveloppe de corrélation, plusieurs études en permis de déterminer différente limite supérieure, dans le [8] la limite supérieure acceptable est de 0.5 pour l’enveloppe de corrélation, et dans le [9] la valeur de 0.7 est définie comme la limite supérieure pour le coefficient de corrélation complexe [8].

Intérêt des systèmes MIMO

Les systèmes de transmission possédant une antenne en émission et une antenne en réception ou ce qu’on appelle les SISO soufrent en matière de capacité du canal alors que la demande de transmission en haut débit et en expansion. Les concepteurs ont développé plusieurs méthodes, comme l’élargissement de la bande spectrale ou l’augmentation des niveaux de puissance de transmission, pour remédier à ce problème, mais ces méthodes se heurtent au problème de la limitation de la bande passante et la variation de l’espace de propagation du signal [8].

Les systèmes avec des antennes multiple dans les 2 extrémités de la liaison ou ce qu’on appelle les systèmes MIMO sont apparue comme étant les systèmes les plus prometteurs. Ils permettent d’augmenter la capacité du canal sans pour autant modifier la bande passante ou augmenter la puissance du signal, ces systèmes utilisent la méthode de diversité spatial pour contrer les effet multi-trajet.

Si les systèmes de communication utilisent par défaut la dimension temps, les système MIMO rajoute a cette dernière la dimension spatiale qui fait des systèmes MIMO des systèmes sans fils spatiaux temporelle.

Cependant la réalisation d’un système MIMO pose le problème des dispositifs de taille réduite. En fait, son implémentation en LTE implique que plusieurs antennes doivent être montées dans un espace très confiné. Cependant, l’intégration de plusieurs antennes dans un petit objet communicant tout en gardant un haut niveau de performances n’est pas aisée. En effet, l’espace limité entre les différentes antennes provoque un couplage mutuel et une faible isolation, entrainant une forte corrélation et une diminution de la capacité du canal [8].