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1/34IREENAIREENAInstitut de Recherche en Electrotechnique et Electronique

de Nantes-Atlantique

IREENAIREENAInstitut de Recherche en Electrotechnique et Electronique


Conception et caractérisation d'antennes pour des systèmes MIMO

Yann Mahé (1), Julien Sarrazin (1), Serge Toutain(1), Laurent Cirio(2) , Benoît Poussot (2), Jean-Marc Laheurte(2),

A. Diallo(3), C. Luxey(3), P. Le Thuc(3), R. Staraj(3)

(1) IREENA, Polytech.Nantes (2) ESYCOM, Université de Paris-Est, Marne-La-Vallée

(3) LEAT, Université de Nice-Sophia Antipolis





Principes de base sur la diversité d’antennes et le MIMO

Le MIMO ou la fin des antennistes?

Reconfiguration d’antennes en diagramme et polarisation

Amélioration du couplage entre antennes

Plan de l’exposé





Besoins de plus de débit : Internet, HDTV, téléphonie mobile

Démocratisation des réseaux locaux sans fil (WIFI, WLAN, HIPERLAN, WIMAX)

Développement de réseaux sans fil à plus grande échelle (MAN : Métropolitain Area Network)

Contexte (1)





Communications urbaines ou indoor

Trajets multiples

Les systèmes MIMO augmentent le débit des communications en tirant profit de des multi-trajets sans nécessiter plus de bande passante

Contexte (2)

MIMO (Multiple Input Multiple Output) : utilisation de plusieurs antennes à l’émission et à la réception afin de créer de la diversité





Antennes de réception « intelligentes »

Réseaux d’antennes à formation de faisceaux ou à réjection d’interférences: adaptés à des milieux LOS (Line of sight) ou proches

Antenne directive peu pertinente en NLOS (indépendance statistique des signaux reçus)

Auto-ajustement contraintes en vitesse de commutation information sur l’angle d’arrivée trop coûteuse





• Diversité d’antennes: Récepteur multi-antennes (« Réseau ») + utilisation de techniques de combinaison des signaux reçus par chaque antenne défense contre les multi-trajets (années 60)

• MIMO: exploitation des multi trajets création de plusieurs canaux indépendants dans une même bande de fréquence avec des réseaux d’antennes en émission et en réception (1996: démonstrateur BLAST des Bell Labs)

Diversité d’antennes et antennes MIMO (dumb antennas)





SISO (Single Input Single Output)

x1

y1

h

• CSISO: Capacité ergodique (moyenne)

• : RSB moyen sur l’antenne de réception

• h: gain complexe normalisé associé au canal de propagation, incluant les caractéristiques des évanouissements et de l’antenne (diagramme, polarisation,.)





Sélection du signal au plus fort RSB

Recombinaison des signaux (EG, MRC…)

RXRX

SIMO (Single Input Multiple Output)Diversité simple

x1

y1

y2

yM

h1

h2h

M

Augmentation du RSB : meilleure robustesse de la liaison, possibilité de forts taux de modulation,…

La capacité du système augmente comme le logarithme de M

h=[h1, h2,…, hM]





x1

x2

x3

y1

y2

y3

h11

h21h

31

h33

(Hypothèses: modèle d’évanouissement Rayleigh, canaux non sélectifs en fréquence,..)

Données divisées en N sous-séquences

Envoyées en parallèle

Débit initial et occupation spectrale divisés par N

Algorithme VBLAST…

Connaissance de Y

+

estimation des coefficients hMN

=

détermination de X

TXTX RXRX

MIMO: Multiplexage spatial

MNMM

N

N

hhh

hhh

hhh

H

21

22221

11211





H

T

HHN

IC detlog2

Capacité de canal (bp/s/Hz)

Performances liées à la corrélation entre les trajets représentés par les coefficients hij de la matrice H

N liaisons indépendantes

Capacité du MIMO (Multiplexage spatial )

Cas optimal (corrélation nulle entre

trajets) N liaisons indépendantes

A puissance d’émission égale, la capacité augmente linéairement avec min(M,N). Pour N grand, C=Nlog2(1+)




de Nantes-Atlantique Dietrich, AP Magazine Oct 2000

Capacité SISO, SIMO, MIMO

canal de Rayleigh

• SISO: augmentation lente: 3 dB de plus sur RSB augmente CSISO de 1bit/s/Hz

• Comparaison SIMO et MIMO avec N identique.

SIMO (1,3) et MIMO (2,2)

SIMO (1,5) et MIMO (3,3)

• Faibles RSB, CSIMO>CMIMO

• Forts RSB (30dB). CMIMO (3,3) ~ 2CSIMO (1,5)

• Si N, croisement entre les courbes CMIMO et CSIMO pour les faibles RSB

• CSIMO (1,3) et (1,5): pente identique N

• CMIMO(2,2) et (3,3) pente en fonction de N





r(t): signal instantané

m(t): évanouissements lents (ou moyenne)

f(t): évanouissements rapides (modèle Rayleigh)

r(t)=m(t).f(t)

Diversité/MIMO luttent contre les évanouissements rapides

Evanouissements rapides et lents





Challenge : Co-localisation de plusieurs antennes éventuellement multi-bandes sur le PCB d'un seul objet communicant de petite taille

Amélioration de l’efficacité des antennesMeilleure efficacité des antennes miniaturesForte isolation entre antennes ou accès

A quoi sert l’antenniste?

Ericsson T65





A quoi sert l’antenniste?

Antennes reconfigurables (diversité de polarisation ou de diagramme)

Directions d’arrivée uniformément réparties en théorie, clusters de rayons en pratique

Minimum d’intelligence au niveau de l’antenne peut améliorer le RSB et la corrélation





Objectif : fournir plusieurs copies différentes (ou décorrélées) du signal transmis et les combiner judicieusement afin d’augmenter la capacité

Cette décorrélation est introduite en écartant les antennes à l’émission et à la réception (/2 suffisant en milieu riche en multi-trajets)

Trajet 1

Trajet 2

1

2

Diversité d’espace





Trajet 1

Trajet 2

Diversité de diagramme

Antennes co-localisées Encombrement réduit

Décorrélation des signaux reçus

Diversité de polarisation

dépolarisation

polarisation Vpolarisation H





Diversité adaptative (typiquement : diversité d’espace + rayonnement reconfigurable)

La reconfiguration de diagramme augmente l’apport en diversité des antennes en tenant compte du canal de propagation

RSB & décorrélation des signaux reçus optimisés au cours du temps

Trajet 1

Trajet 2

MIMO adaptatif





MIMO adaptatif basé sur une cavité métallique cubique à 3 fentes commutables (IREENA)

Fentes court-circuitées modification du diagramme de rayonnement

3 configurations de rayonnement

3 polarisations orthogonales pour lutter contre les évanouissements (fading)

5.2 GHz





simulation mesure

Configuration 1

Diagramme E et E pour la configuration 1

Gφ

Gθ





Gφ

Gθ

simulation mesure

Configuration 2






Gφ

Gθ

simulation mesure

Configuration 3






d = 60mm

Antenne 1Antenne 2

Antenne 1 : 3 diagrammes de rayonnement disponibles

Antenne 2 : 3 diagrammes de rayonnement disponibles

32 configurations de rayonnement possibles

Application aux systèmes MIMO adaptatifs





dpEXEpEEdpEXEpEE

dpEXEpEE

e

*22

*22

*11

*11

2

*21

*21

nE

nEChamp complexe électrique émis par l’antenne suivant θ et Φ

uEuEE ,,,

p

pDistribution des angles d’arrivées (AoA)

Corrélation d’enveloppe

= Coefficient de cross-polarisation (XPD)

XDensité de puissance reçu suivant Φ

Densité de puissance reçu suivant θ





0 50 100 150 200 250 300 3500

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

e

i (°)

configuration 1 & 1configuration 1 & 2configuration 3 & 2

MIMO adaptatif : choix de la configuration de rayonnement offrant le plus de diversité en fonction de l’évolution du canal

Corrélation d’enveloppe en fonction de l’angle d’incidence de la direction moyenne d’arrivée des signaux

Distribution gaussienne ( σ=20°) XPD = 20dB





SPDT

Pin diodes

• Antenne à un seul accès fonctionnant à 5.8 GHz

• Diversité en polarisation: V et H (3 SPDTs)

• Diversité en diagramme: 4 diagrammes (2 diodes par stub)

• Total de 8 canaux distincts

• Selection combining

Antenne commutable en polarisation et diagramme (ESYCOM)





Polarisation horizontale Polarisation verticale

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8

Diagrammes de rayonnement





• Emetteur mobile en rotation et translation

• Monopole vertical en émission

• Récepteur fixe

• 30000 échantillons par canal

Banc de mesure





• DG: Amélioration du RSB d’un capteur multi antennes par rapport à une antenne seule

• 4 branches (2 diagrammes + 2 polarisations): meilleur compromis complexité antenne / DG

• Orientation diagonale de l’antenne: DG=12.9 dB avec 4 branches

Combinaison de4 branches

Mesures en diversité

DG DG

Polarisation verticale Polarisation horizontale

Combinaison de8 branches





UMTS Port 1

UMTS Port 2

Système à 2 PIFAs couplées (LEAT)

2 PIFAs très proches (0.12λ

0 ) opérant dans la

bande UMTS

S21=-5 dB





Technique de neutralisation: languettes d'alimentation reliées

Amélioration min. : 15 dB

ligne 18x0.8mm2





98 %

81 %

Sim.

94 %Avec ligne

80 %Sans ligne

Mes.

Technique de neutralisation: efficacité totale et corrélation

Amélioration : 17%/20%

Sans ligneAvec ligne

2

12

2

22

2

21

2

11

2

22*2112

*11

e

SS(1)SS(1

SSSS





Chambre Réverbérante 0.8m x 1m x1.6m

Tête de fantôme

Chambre réverbérante assimilée à un environnement isotropePerformances MIMO caractérisées avec 3 dipoles d’émission XYZ

Mesure de capacité en chambre réverbérante





Evaluation des performances MIMO du système à 2 antennes en chambre réverbérante

SNR=10dB

Capacité augmente de 8.3 à 9.1bits/s/Hz (de 12 à 13 pour 4 éléments)





Conclusion

Diversité d’antennes et MIMO améliorent significativement la capacité des liaisons riches en multitrajet (Merci aux traiteurs de signaux!) mais augmentent la consommation et la complexité des systèmes

L’antenniste peut apporter sa contribution:• en miniaturisant les terminaux (co-localisation)• en limitant les couplages entre antennes• en optimisant l’efficacité• en reconfigurant sans pertes l’antenne (ok si peu de multitrajets)

L’antenniste doit repenser ses (réseaux d’)antennes en terme de corrélation, gain en diversité, RSB, capacité de canal et taux d’erreur binaire etc… et les évaluer (les comparer) dans le système complet avec des scenarii variables.





WIFIMAX et WIFI

802.11.G capacité annoncée 11 Mbits/s à 50m

802.11.N MIMO+OFDM 100 Mbits/s à 90 m (3 x3 antennes)

BP réel << BP annoncée

Futur du MIMO: virtual antenna arrays + UWB

WIMAX 802.16: transmission utilise le beamforming, quelques kms de portée

Technologies wideband: égalisation, OFDM, DS-CDMA





Couplage et Corrélation

Accès 2 en circuit ouvert

Accès 2 adapté





Une corrélation assez importante (<0.7) peut être tolérée sans trop sacrifier de gain en diversité

1.5dB

Gain en diversité en fonction de la corrélation pour un récepteur à 2 branches





Amélioration du SNR moyen en fonction du nombre de canaux pour différentes méthodes de combinaison





Fonction de répartition combinée par « selection combining » pour différents nombres de canaux




de Nantes-Atlantique Dietrich, AP Magazine Oct 2000

Capacité SISO, MISO, SIMO, MIMO

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