ANTENNES INTELLIGENTES Guillaume VILLEMAUD Cours Techniques dAntennes 1

ANTENNES INTELLIGENTES Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1

PLAN DU COURS ¨ Introduction Historique, généralités Caractéristiques des antennes ¨ Partie I : Antennes compactes ¨ Partie II : Antennes larges bandes ¨ Partie III : Antennes à polarisation circulaire ¨ Partie IV : Antennes grand gain ¨ Partie V : Formation de faisceau ¨ Partie VI : Antennes intelligentes ¨ Partie VII : MIMO Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 2

PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILES Comment garantir à la fois un débit important et la mobilité de l’utilisateur ? Le système le plus simple pour garantir la mobilité serait de pouvoir couvrir une large zone où le mobile serait à portée quelque soit sa position. ressources limitées (un seul utilisateur possible, puissance importante. . . ) Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 3

PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILES Pour garantir un débit important, l’idéal est une liaison point à point pour chaque utilisateur Les utilisateurs doivent alors être à des positions fixes Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 4

DEPLOIEMENT CELLULAIRE La solution d’une répartition cellulaire des stations de base permet une réutilisation des fréquences utilisées et une gestion des ressources en puissance. Pour garder un rapport SNR suffisant, il faut un facteur de réutilisation élevé Passage au tri-sectoriel Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 5

DEPLOIEMENT OMNIDIRECTIONNEL Cellules co-canal Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 6

DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL 90 Remplacement d’une cellule omnidirectionnelle par trois secteurs de 120° 2 120 60 1. 5 1 150 30 0. 5 180 0 330 210 240 300 270 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 7

DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL Cellules co-canal Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 8

DEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL 90 Avantages : Meilleure gestion des puissances Meilleure réutilisation des fréquences 2 120 60 1. 5 1 150 30 0. 5 180 0 Surcoût faible 330 210 valeur avec ant. sectorielles omnidirectionnelles 240 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 300 270 9

UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE L’utilisation de 2 antennes espacées permet de limiter les affaiblissements dûs aux trajets multiples Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 10

UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE Techniques de diversité spatiale mais aussi fréquentielle, temporelle ou de polarisation Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 11

BALAYAGE DE FAISCEAUX On peut encore améliorer l’efficacité du système en remplaçant chaque antenne omni ou sectorielle par un système pouvant commuter entre plusieurs faisceaux d’ouverture étroite. C’est ce que l’on appelle la commutation de faisceaux. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 12

BALAYAGE DE FAISCEAUX Permet encore un gain significatif, mais avec une structure physique plus lourde Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 13

ANTENNES ADAPTATIVES EN RECEPTION • Problématique – Comment peut-on combiner plusieurs antennes en réception pour améliorer au mieux le signal ? ? ? Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 14

ANALOGIE EN ACOUSTIQUE Séparer le signal utile des interférents revient à distinguer la source sonore désirée : la différence entre les informations reçues par les deux oreilles permet de s’orienter et la connaissance des autres bruits permet de mieux décrypter le signal utile (analogie « cocktail party » ) Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 15

DIFFERENCE DE TRAJET SUR 2 ANTENNES Deux signaux reçus, décalés (déphasés) Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 16

Signaux reçus : • • 1 direction d ’arrivée du signal (Y 0) mobile en champ lointain les antennes en réception sont omnidirectionnelles Le signal reçu est le même sur les 2 antennes, avec simplement un déphasage, liée à la distance : Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 17

Modèle plus général : • N capteurs • chaque capteur reçoit un signal modifié par le canal fonction de transfert du canal Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 18

Modèle en bande étroite : • on peut assimiler Hi à une constante complexe Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 19

PRISE EN COMPTE DU BRUIT Combinaison dans un environnement de bruit blanc Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 20

UTILISATION DE FILTRE – Signal reçu : – on choisit un filtre tel que : – prenons : Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 21

• Exemple des 2 antennes : – le filtre correspondant : pondération de phase Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 22

• Sélectivité : – 2 sources : Y 1 Y 0 – on focalise avec le bon filtre sur M 0. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 23

– Conséquence sur le signal reçu : Y 1 Y 0 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 24

• Démos …… y Y 0 0 x 2 d Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 25

90 Y 0=0 1 120 60 0. 8 0. 6 150 30 0. 4 0. 2 180 0 210 330 240 300 270 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 26

90 Y 0=p/4 1 120 60 0. 8 0. 6 150 30 0. 4 0. 2 180 0 210 330 240 300 270 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 27

90 Y 0=p/2 1 120 60 0. 8 0. 6 150 30 0. 4 0. 2 180 0 210 330 240 300 270 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 28

• Conséquence sur le niveau de bruit – si un seul capteur : bruit N; DSP : s(f) – si plusieurs capteurs : • matrice d’intercorrélation spectrale Matrice de cohérence spatiale Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 29

Matrice d’intercorrélation spectrale – après filtrage : – le gain en SNR lié au filtrage : Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 30

Exemple avec l ’antenne à 2 éléments – après filtrage : – le gain en SNR lié au filtrage : Rq : pour N éléments, avec une amplitude constante en réception, le gain est égal à N Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 31

Remarque concernant l’indépendance du bruit : Le gain pour N éléments, avec une amplitude constante en réception est égal à N, ssi les bruits de chaque capteurs sont indépendants sinon le gain est plus faible il faut 2 d>l/2. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 32

Paramètres : – influence de la distance entre antennes • nécessité de l ’indépendance des signaux – influence du nombre d ’éléments • augmentation du pouvoir discriminant – influence de la géométrie • existence de directions privilégiées Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 33

REJECTION D’INTERFERENCE But : atténuer le plus possible l’influence d’un signal interférent sur la réception du signal utile I S Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 34

Problématique – Le filtre précédent a pour but d’optimiser les contributions des capteurs pour améliorer le SNR global. – Par contre, ce n’est pas toujours optimal, lorsque le bruit est lié à une source ponctuelle Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 35

S S 90 1 120 90 60 150 180 0 210 330 300 0. 2 180 0 210 330 240 300 270 Interférent bien filtré 30 0. 4 I 0. 2 240 0. 6 150 30 0. 4 60 0. 8 0. 6 1 120 I Interférent mal filtré Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 36

– Objectif : pénaliser les directions où un mobile est présent • la direction de la source S est caractérisée par son filtre de propagation. H 0 • La direction de l’interférent I est caractérisé par son filtre propre H 1. – Chercher un filtre qui maximise S en minimisant I. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 37

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– Filtre optimal • on considère le bruit comme étant la somme du bruit blanc environnant et de l ’interférent. Sa matrice interspectrale est : • filtre de blanchiment du bruit, suivi d ’un filtre de détection pondération amplitude et phase Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 39

Y 0=p/4; Yint=[p/3, 0] ; 4 antennes, 2 d=0. 5 filtre classique 90 1 120 60 0. 8 0. 6 150 30 0. 4 0. 2 180 0 210 330 240 270 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 300 40

90 Y 0=p/4; Yint=[p/3, 0] ; 4 antennes, 2 d=0. 5 filtre avec réjection 1. 5 120 60 1 150 30 0. 5 180 0 210 330 240 300 270 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 41

Applications • dissocier le signal émis par un mobile utile, des signaux émis par des mobiles dans les cellules voisines Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 42

Applications • dissocier les signaux émis par 2 mobiles utiles (ou N), simultanément. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 43

• On peut alors réduire totalement les interférences entre mobiles internes à une cellule. • On peut même envisager de réutiliser un même code par plusieurs mobiles appartenant à la même cellule. • Ces techniques devraient permettre une augmentation très significative de la capacité des réseaux cellulaires Techniques SDMA Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 44

ANTENNES ADAPTATIVES EN EMISSION On ne peut plus se contenter de recevoir le signal et de le traiter pour trouver la meilleure combinaison, il faut ici appliquer directement les pondérations adéquates pour diriger le faisceau vers l’utilisateur. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 45

– en réception, le traitement est fait à posteriori. On peut ainsi envisager naturellement un traitement adaptatif dynamique – en émission, le traitement est possible (=focalisation), mais nécessite la connaissance initiale de l ’objectif visé. – la précision peut se faire au détriment de la mobilité, surtout si le canal n’est pas stable. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 46

DIFFERENTS ALGORITHMES 3 grandes catégories d’algorithme : -ceux nécessitant une séquence d’apprentissage; -ceux nécessitant la connaissance de la direction d’arrivée du signal; -ceux travaillant en aveugle. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 47

SEQUENCE D’APPRENTISSAGE La séquence d’apprentissage est une partie d’information envoyée connue du récepteur lui permettant de déduire de l’état d’arrivée des bits la fonction de transfert du canal. Algos les plus utilisés : MMSE (minimisation de l’erreur quadratique moyenne) LMS (Least Mean Square) RLS (Recursive Least Square) SMI (Sampled Matrix Invariance) Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 48

Exemple d’utilisation : – Il existe une solution qui permet d ’obtenir de la diversité, sans connaissance a priori de la position de la source. Cela permet d ’introduire de la diversité : exemple avec 2 émetteurs Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 49

Emission alternée d’un symbole sur A 1 et A 2 : h 1 h 2 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 50

Algorithme de détection : • l ’algorithme travaille sur 2 périodes 1ère impulsion : 2 ième impulsion : combinaison : inconvénient : on divise le débit par 2. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 51

Emission simultanée de 2 symboles sur A 1 et A 2 : h 1 h 2 Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 52

Algorithme de détection : • l ’algorithme travaille sur 2 périodes 1ère impulsion : 2 ième impulsion : combinaison : Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 53

Propriétés : • On obtient la même diversité (N) en émission qu ’en réception. • Il faut connaître le canal au niveau du récepteur (et pas de l ’émetteur). Séquence d’apprentissage, … • La combinaison émission/réception est possible et améliore encore la diversité. • Les chemins multiples (fast fading) peuvent compromettre ce principe – => Egalisation multi-voies. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 54

CONNAISSANCE DE LA DOA Utilisation en 2 temps : - détermination de la DOA grâce au signal reçu de l’utilisateur (+interférents) - puis formation du faisceau en conséquence Algos les plus utilisés : MVDR (Minimum Variance Distortionless Responce) Pour la DOA : MUSIC ou ESPRIT Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 55

ILLUSTRATION Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 56

ALGORITHMES AVEUGLES Tentent d’extraire les caractéristiques du canal des informations reçue dans le signal Traitement lourd et difficile en temps réel Souvent associés aux autres techniques (semi-aveugle) Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 57

CONCLUSION Les antennes intelligentes permettent une augmentation importante de la capacité des réseaux (augmentation de portée, cell-splitting, amélioration du débit. . . ). Points durs : -le coût matériel (plus d’antennes, réseaux de pondération, processeurs de calcul. . . ); -la rapidité des algos. Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 58

Array. Comm (USA) - installations in WLL - tests for GSM 1800 Smart Antennas in Mobile Communications on the Globe Gigabit. Wireless(USA) WLL Ericsson (SW) first system solution with SA GSM (commercially available) Radio Design AB (SW) NMT-450 NTT Do. Co. Mo (Japan) Testbed for UTRA “ Intelli. Wave” Wireless Local Loop System Raytheon (USA) Commercially available Fully Adaptive Smart Antenna System UMTS ? TSUNAMI-SUNBEAMSATURN/METRA Projects (EU) ARPA (USA )/Glo. Mo project Metawave (USA) Commercially available Intelli. Cell Switched Beam System Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes - Wide range of R&D activity - Recommendations for standardization - Field Trials GSM/DCS 1800 system 59