Principe de fonctionnement

Un système de communication radio transmet des informations par l’intermédiaire d’une onde électromagnétique (OEM) : Figure 1 : Schéma de transmission.

L’antenne d’émission reçoit le signal électrique de l’émetteur et produit l’onde électromagnétique. Cette OEM se propage dans l’espace autour de l’antenne d’émission. En fonction du type et de la forme d’antennes utilisées, certaines directions de propagation peuvent être privilégiées. La puissance produite par l’émetteur et appliquée à l’antenne se disperse dans l’espace. L’antenne de réception capte une faible partie de cette puissance et la transforme en signal électrique. Ce dernier est appliqué à l’entrée du récepteur qui en extrait l’information transmise. Les phénomènes physiques mis en jeu dans l’antenne étant réversibles, le même dispositif peut émettre et recevoir, sauf dans le cas des émissions de forte puissance [6].

Elles sont classées en deux catégories principales :

 les caractéristiques de rayonnement, qui sont utilisées pour décrire la façon dont l’antenne rayonne ou reçoit l’énergie de l’espace ;

 les caractéristiques d’entrée, qui sont utilisées pour spécifier les performances de l’antenne en fonction de ses limites [5].

Les antennes sont rarement omnidirectionnelles et émettent ou reçoivent dans des directions privilégiées. Le diagramme de rayonnement représente les variations de la puissance rayonnée par l’antenne dans les différentes directions de l’espace. Il indique les directions de l’espace dans lesquelles la puissance rayonnée est maximale. Il est important de noter que le diagramme de rayonnement n’a de sens que si l’onde est sphérique [7, 8].

La fonction caractéristique permet de représenter les variations du niveau de champ rayonné en champ lointain en fonction de la direction considérée [4].

Dans un plan qui contient la direction d’intensité maximale, c’est l’angle entre deux directions ayant la moitié de l’intensité maximale. C’est aussi l’angle entre deux points de même intensité [8].

La directivité d’une antenne caractérise la manière dont cette antenne concentre l’énergie dans certaines directions de l’espace [4].

D = U = 4πU (I.1)

Si la direction n’est pas spécifiée, elle implique la direction de l’intensité maximale de rayonnement (directivité maximale) exprimé par : Dmax = D0 = Uǀmax = Umax = 4πUmax (I.2) UUP 00rad

U : intensité rayonnée ; Umax : intensité maximale rayonnée ; Dmax : directivité maximale.

Antenne Isotrope : elle rayonne uniformément dans toutes les directions de l’espace. Prise comme antenne de référence pour exprimer les propriétés directionnelles des antennes. Le Gain d’une antenne est défini comme étant « le rapport de l’intensité, dans une direction donnée, à l’intensité de rayonnement qui serait obtenue si la puissance fournie par l’antenne a été rayonnée isotropiquement. L’intensité de rayonnement correspondant à la puissance isotrope rayonnée est égale à la puissance admise (entrée) par l’antenne divisée par 4 » [4].

Gain = 4π Intensite de rayonnement = 4π U (θ, ϕ) (I.3)

Puissance totale accepteePin

Elle peut être définie par les pertes au niveau des bornes d’entrée et à l’intérieur de la structure de l’antenne. Ces pertes peuvent être dues, à :

 Des réflexions en raison de la désadaptation entre la ligne de transmission et l’antenne

 Les pertes RI2 (conduction et diélectrique) [4].

La technologie MIMO est une technique de télécommunication basée sur une émission et/ou une réception multi-antennes pour exploiter la diversité et améliorer la qualité de service, le débit et la portée. Elle est aujourd’hui pleinement utilisée dans les réseaux sans fil haut débit déployés dans des environnements présentant de nombreux obstacles [7].

Dans les systèmes de communications traditionnels, il n’existe qu’une antenne à l’émission et une antenne à la réception (SISO). Or les futurs services de communications mobiles sans fils demandent plus de transmissions de données (augmentation de la capacité de transmission). Ainsi pour augmenter la capacité des systèmes SISO et satisfaire ces demandes, les bandes passantes de ces systèmes et les puissances à transmettre ont été largement augmentées.

Mais les récents développements ont montré que l’utilisation de plusieurs antennes à l’émission et à la réception permettait d’augmenter le débit de transmission des données et cela sans augmenter ni la bande passante de l’antenne réceptrice du système SISO, ni la puissance du signal à l’émission. Cette technique de transmission s’appelle MIMO (Multiple Input, Multiple Output) (Figure3). Un système MIMO tire profit de l’environnement multi-trajets en utilisant les différents canaux de propagation créés par réflexion et/ou par diffraction des ondes pour augmenter la capacité de transmission. D’où l’intérêt aussi d’obtenir des signaux indépendants sur les antennes.

Figure 3 : Système MIMO avec N antennes en émission et M en réception [9, 10].

Le schéma ci-dessus montre l’environnement d’un système MIMO. Au niveau de l’émetteur, suite à un codage et une modulation de l’information, les flux de données sont envoyés aux N antennes d’émission. Les signaux sont envoyés à travers un canal de propagation au niveau de ces antennes. Le but d’utiliser des systèmes MIMO est la possibilité de réaliser des sous-canaux orthogonaux entre les émetteurs et les récepteurs via un environnement de diffusion et par conséquent d’augmenter la capacité du canal. Selon les coefficients de la matrice du système MIMO, différentes techniques peuvent être utilisées pour une meilleure exploitation du canal MIMO [11]. Il s’agit de la diversité spatiale, le multiplexage, le beamforming :

 La diversité spatiale. Les antennes d’émission envoient simultanément un même message et les signaux à la réception sont sommés de façon cohérente. Dans ce cas, l’efficacité de la technique MIMO est liée à la décorrélation des sous-canaux (un sous-canal correspond à la liaison entre les antennes d’émission et de réception). Dans ce cas, le RSB est amélioré par le gain de diversité ;

 Le multiplexage spatial. Un message est découpé en sous-messages qui sont alors transmis simultanément par chaque antenne d’émission.

À la réception, les sous-messages reçus sont analysés pour retrouver le message d’origine. Ici aussi, l’efficacité de la technique dépend de la décorrélation des canaux. Dans ce cas, le débit est amélioré par le gain de multiplexage ;

 Le beamforming. Les réseaux d’antennes en émission et en réception permettent de contrôler la direction d’un faisceau à l’émission ou à la réception. Cette formation de faisceau permet alors de privilégier certaines directions de propagation et de pouvoir étendre une couverture radio ou de limiter les interférences entre canaux [12].

Elle croit linéairement avec la valeur minimale du nombre d’antennes en émission et en réception. Elle s’exprime comme suit : C = log2{det [INr + HH*]} (I.9)

INr est la matrice identité de dimension Nr ; est le SNR au niveau du récepteur ; Ici, on prend le cas du SISO où la matrice du canal est considérée comme normalisée c’est-à-dire que les éléments de H ont une variance unitaire [11].