Les Antennes IntelligentesLes Antennes Intelligenteset ses applicationset ses applications

Formation Ingénieur-Maître 2003Physique - Electromagnétisme

•Masson Jean-Luc•Montané Bruno•Yurdakul Sami

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AgendaAgendaIntroduction– enjeux– systèmes actuels– systèmes adaptatifs

Technologie– Différents Types– Classification– Axe de recherche

AvantagesApplicationsConclusion

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IntroductionIntroductionLes réseaux UMTS permettront aux usagers d’accéder:

- services vocaux, de fax, de données (conventionnels)

- services multimédia: Internet, l’achat en ligne, lavidéotéléphonie, à des débits allant jusqu’à 2Mbits.

Conséquences: de nouveaux défis émergent!

Solution: les techniques à antennes intelligentes

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Les systèmes actuelsLes systèmes actuelsLes stations de base actuelles sont équipées d’antennes:

- soit omnidirectionnelles- soit trisectorisées

La position de l’utilisateur étant inconnue, on peut considérercette technique comme une perte d’énergie.

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Or, l’un des enjeux majeurs de l’UMTS est d’augmenter lacapacité!

Dans les réseaux actuels, c’est une opération très difficile àréaliser!!

- soit en ajoutant des fréquences porteuses

- soit en augmentant le nombre de cellules ou destations de bases.

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Les systèmes adaptatifsLes systèmes adaptatifsPrincipe: ces systèmes consistent non plus à considérer despropagations fixes, mais à les adapter en fonction de ce que l’ondésire.

Avec cette technique, c’est comme si chaque mobile disposait desa propre liaison sans fil.

Avantages:- réduit la quantité de bruit par utilisateur

- augmente la capacité du réseau

Attention!! On considère que les interférents sont rarement dans lamême position géographique que l’utilisateur.

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Différences entre une station de baseDifférences entre une station de basetraditionnelle et une station de base àtraditionnelle et une station de base à

antennes intelligentes.antennes intelligentes.

Les deux principaux typesLes deux principaux typesd’antennes intelligentesd’antennes intelligentes

antennes à commutation de faisceaux (Switched Beam)

antennes adaptatives

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Antennes à commutation deAntennes à commutation defaisceauxfaisceaux

appelés « swichted beam antenna systems »

Principe: ces antennes détectent la qualité du signal reçu,choisissent parmi un des multiples lobes prédéterminés etcommutent d’un rayon à un autre en fonction du mouvementde l’usager.

Ce système consiste à créer de multiples faisceaux très étroits(15 à 30° d’angle d’ouverture), sachant que le meilleur d’entreeux sera utilisé pour desservir l’usager en fonction de sonmouvement.

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Schéma bloc d’un circuit à antenne àSchéma bloc d’un circuit à antenne àcommutation de faisceaux et soncommutation de faisceaux et sondiagramme de rayonnementdiagramme de rayonnement

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Antennes adaptativesAntennes adaptativesappelés « adaptive antennas ».Il s’agit de la technique la plus avancée à nos jours en ce qui

concerne les antennes intelligentes.

Principe: dirige le lobe principal de son diagramme derayonnement en direction du signal attendu, et surtout,place ses zéros en direction des signaux interférents.

Identical User Signals

Cochannel Interferers

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Schéma bloc d’un circuit à antenneSchéma bloc d’un circuit à antenneadaptative et son diagramme deadaptative et son diagramme de

rayonnementrayonnement

La classification selon leLa classification selon leniveau d ’intelligenceniveau d ’intelligence

(LOI, (LOI, LevelLevel Of Intelligence) Of Intelligence)

Grille de commutation de faisceaux (Switched Beam Array)– solution la plus simple– comprend une fonction basique de commutation entre des faisceaux prédéfinisd ’une grille

Grille dynamiquement phasée (Dynamically Phased Array)

– un seul faisceau principal est contrôlé vers le signal le plus fort, en faisantvarier la phase progressive de l ’excitation

Grille adaptative (Adaptive Array ou Tracking Beam Array)– les faisceaux et les origines peuvent être contrôlés simultanément en mettant àjour les poids complexes selon les critères d ’optimisation requis

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Axes de rechercheAxes de recherchedomaine interdisciplinaire :– électromagnétisme– micro-ondes– conception d ’antennes– traitement du signal

nécessite évolution technologique :– processeurs puissants (réseaux de neurones)– intégration de fonctions actives directement sur l ’antenne (bande

basse des ondes millimétriques)

technologie imprimée, antennes micro-ruban alimentées parcouplage électromagnétique (requiert seulement un substrat)– plus grande bande passante– meilleure isolation entre l ’antenne et la structure d ’alimentation

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Avantages des systèmes àAvantages des systèmes àantennes intelligentesantennes intelligentes

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--pour de meilleurs résultatspour de meilleurs résultats::en terme de capacité, deen terme de capacité, dequalité de service et de coûtsqualité de service et de coûtsen déploiement.en déploiement.

--réduction des interférencesréduction des interférences::surtout en milieu urbain!surtout en milieu urbain!

-Une meilleure portée-Une meilleure portée::donc une zone dedonc une zone decouverture plus large.couverture plus large.Comparaison des zonesComparaison des zonesde couvertures:de couvertures:

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-Partage d’un même canal:

- réutilisation des fréquences:

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-Aspect économique: le coût total des infrastructuresnécessaires à la construction d’un nouveau système peut etreréduit d’environ 60% par rapport à un système conventionnel.

Comparaison des investissements initiaux de la sociétéArrayComm:

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Applications envisagéesApplications envisagéesdans le cadre de l’dans le cadre de l’UMTSUMTS

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AVANT ENSUITE

Contraintes de chargement detrafic maximal

capacité dans un secteur,tandis que

la capacité demeure à videdans d'autres.

Mise à niveau de charge par laréorientation

et remettant à la côte dessecteurs

maximise la capacitéd'emplacement de cellules.

Spotlight 2200CDMA:

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Station de base Station de base OneBTSOneBTS de de LucentLucent::• nouvelle technologie d’antenne intelligente (IA) couplée au systèmeBLAST (Bell Labs Layered Space-Time)

• grâce à cette technique, la capacité d’une bande de fréquence donnée croitproportionnellement au nombre d’antennes.

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ConclusionConclusionLa technologie des antennes intelligentes représente un pointessentiel quant au développement des systèmes decommunications de troisième voir de quatrième génération.

Quant aux opérateurs mobiles, leurs investissements, bien que trèsélevés, seront rentabilisés puisque ces systèmes devraientpermettre l’évolution des réseaux sans nécessiter l’installation denouvelles stations de base.