Traitement d’antenne pour les télécommunications

J.F. DiourisIREENA, Equipe CNRF, Polytech’Nantes

SOMMAIRE

1. Introduction2. Diversité d’espace3. Antennes adaptatives4. Méthodes d’émission5. Transmission MIMO6. Localisation de sources7. Systèmes d’antennes pour terminaux8. Traitement d’antennes dans le contexte réseau ad hoc

1. Introduction

1. les systèmes de communication avec les mobiles2. Les canaux de propagation3. L’interférence multiaccès et intercellulaires4. L’interférence intersymbole

1.1 les systèmes de communication avec les mobiles

Mob

ilité

Débit

Stationnaire

Pieton

Véhicule

0.1 1 10 100

GSM

/GPR

S/ED

GE

WC

DM

A rel 4

WCDMA rel 5

Wlan 802.11bWlan 802.11a

3g et évolution Après 3G

modulationsadaptatives

BESOIN EN COMMUNICATIONS MOBILES

• Améliorer les performances et la capacité

• Augmenter les débits utilisateurs transmis

• Diminuer la consommation électrique des terminaux

• Augmenter la taille des cellules ou augmenter le nombre d’utilisateurs desservis par une station de base

1.2 Le canal de propa-gation radiomobile• Le fading ou évanouissement du

signal

• La dispersion temporelle

Am

pli

tud

e (d

B)

temps (ms)

DISPERSION ET ÉVOLUTION TEMPORELLE DU CANAL CANAL

=> Canal dispersif en temps (Tm : dispersion temporelle, Bc bande de cohérence)

=> Canal variable dans le temps (Tc temps de cohérence, Bd bande Doppler)

c τ t,( )

tt

Canal à MultitrajetsEntréeSortie

CARACTÉRISTIQUES DU CANAL

durée des symboles Ts

Rapidité de modulation B=1/Ts

Tc

Bc=1/Tm

Canal non-sélectif en fréquence

Canal sélectif en fréquence Canal sélectif en temps et en fréquence

Canal sélectif en temps

1.3 L’interférence multi-accès

• Cas TDMA

• Pas d’Interférence multiaccès

• Interférence intercellulaire (Réutilisation des fréquences)

• Cas CDMA

• Interférence multiaccès (dû à la dispersion temporelle du canal)

• Interférence intercellulaire

2. La diversité

2.1 Transmission sur un canal à multitrajets

• Modulation de phase à deux états sur un canal à bruit blanc additif Gaussien

• Modulation de phase à deux états sur un canal de Rayleigh

=> Les perfor-mances sont très dégra-dées

Eb/No moyen (dB)

log(

Pe)

BBAG

RAYLEIGH

2.2 Transmission en diversité• Utiliser 2 ou N canaux de transmission qui ont des statistiques d’éva-

nouissements indépendantes

t

t

Canal 1

Canal2

Niveau reçu

u

u

p α1 u< ... αN u<, ,( ) p α1 u<( )...p αN u<( )=

DIVERSITÉ PAR COMBINAISON OPTIMALE

• Le rapport signal sur bruit optimal est alors:

xk t( ) aks t( ) nk t( )+=

y t( ) wkxk t( )

k 1=

N

∑=

x1 t( ) a1s t( ) n1 t( )+=

xN t( ) aNs t( ) nN t( )+=

wk µak

*

σ2------Ps=

E y t( )

Sur chaque canal

w1

wk

wN

Sortie du sommateur

∑

γ γk

k 1=

N

∑=

rapport signal sur bruit moyen (dB)

Prob

abil

ité d

’err

eur

Diversité par combinaison optimaleMDP2

p γ( ) p γ( )12---erfc γ( )dγ

0

∞

∫=

2.3 Diversité de réception en CDMARécepteur de Rake en DPSK

Corrélateur

dn ℜ y n q,( )y* n 1 q,–( )[ ]

q 1=

Q

∑=

Q retards

t

Sortie du corrélateur

RAKE2D

Détecteur

Capteur 1

Capteur 2

Capteur 3

Capteur 4

+

TcFiltreAdapté

TcFiltreAdapté

TcFiltreAdapté

TcFiltreAdapté

Tc

Tc

Tc

Tc NcNd(ou corrélateur)

DIVERSITÉ DE TRAJETS

• Ordre effectif de la diversité :

• Lorsque est faible la diversité est insuffisante => intérêt de la

diversité d’espace• Réjection d’interférences

NPD 1 2σT

Tc------+≈

σT

Tc------

3. LES ANTENNES ADAPTATIVES (et autres récepteurs multicapteurs)

3.1 Antennes adaptatives

• Beaucoups de travaux sur les récepteurs multicapteurs

• Antennes adaptatives, MLSE, Détection conjointe etc...

Réseau

Sortiey(t)

x1(t)

x2(t)

x3(t)

xN(t)

Algorithme adaptatif

w1

w2

w2

wN

x1(t)

x2(t)

x3(t)

xN(t)

y(t)

+

x

x

x

x

APPLICATION AUX STATIONS DE BASES

- réduction du facteur de réutilisation des fréquences en TDMA- réduction de l’interférence inter-cellulaire en TDMA- réduction de l’interférence multiaccès en CDMA

S’adapter à l’évolution de la densitédes utilisateurs.

3.2 Egalisation multicapteurLe problème • Transmission numérique sur un canal sélectif en fréquence variant

dans le temps• Dispersion temporelle du canal introduit de l’interférence intersymbo-

les

Emetteur Canal Egaliseur Récepteur

EGALISATION MULTICAPTEUR

Emetteur Canal

Egaliseur RécepteurCanal

Canal

Le théorème de Bézout

• Si et sont premier entre eux alors il existe et

tels que :

Emetteur

Récepteur

C1 z( )

C2 z( )

E1 z( )

E2 z( )

C1 z( ) C2 z( ) E1 z( ) E2 z( )

C1 z( )E1 z( ) C2 z( )E2 z( )+ z K–=

4. Méthodes d’émission

• Formation de voies en émission• Diversité d’émission

4.1 Formation de voies en émission

Hypothèse : on connaît le canal des différents utilisateurs

Pour chaque utilisateur:• on assure un rapport signal / interférence minimal• on réduit l’interférence vers les autres utilisateurs

APPLICATION• Mode TDD

• Mode FDD

RxTx

R

RxTxTranspositionde fréquence

RrxRTx

SECTORISATION ADAPTATIVE

Un exemple (émission liaison downlink):

réduction du facteur de réutilisation des fréquences

=> Augmentation de la capacité des systèmes.

Estimation desdirectionsd’arrivées

Allocation de secteurs

Déterminationdes pondérations X t( ) WtS t( )=

si(t)

4.2 La diversité d’émission

• Diversité par retard

• Transmission de M copies retardées du signal• Si le retard est supérieur au temps de cohérence du canal, le canal

devient sélectif en fréquence• On obtient une diversité de degré M sans perte d’efficacité spectrale• Le récepteur utilise un égaliseur ou un détecteur MLSE

T

E

• Diversité d’émission avec feedback

• Modèle du signal reçu:

(1)

• La voie retour fournit H => on choisit les pondérations

(2)

• Dans ce cas:

(3)

• Le rapport signal sur bruit est

w1

w2

recepteur

feedback sur la voie retour

h1

h2

y t( ) WtHx t( ) n t( )+=

wi h1*=

y t( ) h12 h2

2+( )x t( ) n t( )+=

rsbPx

σ2------ h1

2 h22+( )=

• Codage spatio-temporel • exemple : code d’ALAMOUTI

• signal reçu à l’instant t1 :

• signal reçu à l’instant t2 :

• que l’on peut écrire :

• Le récepteur calcul:

Code ST x1 x2

x1 x2*–

x2 x1*

→

temps

espace

y1 h1x1 h2x2 n1+ +=

y2 h1x2*– h2x1

* n1+ +=

Yy1

y2*

h1 h2

h2* h1

*–

x1

x2

n1

n2*

+ Hx n+= = =

Y H*ty h12 h2

2+( )x1

x2

n1˜

n2˜

+= =

On trouve que et sont indépendants.

• Calculons le rapport signal sur bruit:

Soit 3dB de moins que MRC.

n1˜ n2

˜

SNRPT

2σ2--------- h1

2 h22+( )=

5. TRANSMISSION MIMO

5.1 Les canaux MIMO

TX RXH

h11 h12 ... h1M

... ... ... ...

... ... ... ...hN1 ... ... hNM

=

M antennes d’émissionN antennes de réception

MODÈLE DE CANAL

• Décomposition de H:

• U et V sont des matrices unitaires : • D est une matrice formée de valeurs propres de H

•

y Hx n+=

H UDV*t=NxM

Nxm mxm

mxM

UU*t VV*t I= =

m min N M,( )=

CANAUX VIRTUELS

• Précodage

On obtient donc m canaux indépendants.

H UDVH= y

n

x

H UDVH= y

n

xx yUHV

y UH UDVH( )Vx UHn+ Dx n+= =

5.2 Capacité d’un système MIMOCapacité d’un canal SISO:

Pour comparer les performances, on travaille à puissance émise totale constante => Puissance émise sur chaque antenne =

La capacité d’un canal MIMO est :

Remarque : cas où :

• Capacité équivalente à m canaux parallèles identiques• La capacité dépend des caractéristiques du canal (corrélation entre voies etc...)

Ci 1 ρ λi2+( )log=

Pt M⁄

C Ci

i 1=

m

∑ 1 ρM----- λi

2+ log

i 1=

m

∑= =

λi λ= i∀

C m 1 ρM----- λ 2+

log×=

• la capacité est une variable aléatoire. On appelle capacité ergodique :

CE E det INρM-----HH*t+log

=

5.3 Un exemple (historique) de transmission MIMO : VBLAST

• Système maximisant l’efficacité spectrale au détriment de la diversité• Nombre d’antennes de réception supérieur ou égal au nombre d’antennes à l’émission

b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9

b1 b4 b7

b2 b5 b8

b3 b6 b9

RÉ

CE

PTE

UR

Emetteur

RECEPTEUR VBLAST

• Estimation des symboles en séquence

• A chaque étape les symboles déjà détectés sont soustraits du signal

• Les autres symboles sont considérés comme des interférences et sont annu-lés.

• L’ordre d’estimation des symboles est très important pour les performances.

5. Localisation de sources

• A partir des signaux reçus sur un réseau d’antennes déterminer :• Le nombre de sources indépendantes• La direction des sources• La puissance des sources

• Application radiomobile• Propagation (Multi-trajet)• Problème des sources diffuses• Coût du calibrage

6. Terminaux multicapteurs

• Contraintes• Corrélation d’enveloppes• Niveaux reçus moyens identiques

• Encombrement• Faible nombre d’antennes (2, 4)• Réduction de taille des antennes• Diversité de polarisation

• Coût• Nécessité de doubler les chaînes RF• Compromis complexité performances

EXEMPLE DE RECEPTEUR RF UMTS DEUX VOIES

L N A

I

A D C

9 0 °

Q

L N A

I

9 0 °

Q

B P FS A W

F i r s t o r d e rf i l t e r

F i r s t o r d e rf i l t e r

4 - 6 b i t s

F r e q u e n c y s y n t h e t i s o r2 x L O : 4 2 2 0 to 4 3 4 0 M H z

D iv id e b y 2

G i l b e r t c e l l sm ix e r s

T x

B P FS A W

T x

V G A

V G A A D C

A D C

4 - 6 b i t s

A D C

V G A

V G A

Les applications de communications à l’intérieur des bâtiments pour lesquelles le multi-trajet et les phénomènes d’ombrage sont impor-tants. Le système d’antennes proposé est illustré

ci-contre. Il est caractérisé par des antennes couvrant des secteurs angulaires différents. Il est de plus souhaitable que le système puisse

capter des signaux provenant de directions quel-conques avec une polarisation également quelcon-

que.

Les applications de type satellite pourlesquelles le gain du réseau est un paramètrefondamental. De plus les conditions de propa-gation étant moins complexes que dans le casprécédent, on peut supposer que la polarisa-tion de réception doit être adaptée à celled’émission. Le système d’antennes est propo-sé ci-contre : deux antennes imprimées à po-larisation circulaire sur un plan métalliquelimité.

Les applications de type transmission dedonnées à haut-débit fonctionnent dans des en-vironnements identiques au premier cas traité: lesystème proposé est représenté ci-contre. Troisantennes orientées différemment sont disposéessur une pyramide tronquée. Une antenne omnidi-rectionnelle est placée au sommet comme réfé-rence.

Diversité de polarisation

7. Traitement d’antennes dans le contexte réseau ad hoc

• Réseau ad hoc ou réseau de voisinage • Pas d’infrastructure• Les terminaux jouent le rôle de relais pour les paquets circulant dans

le réseau vers leur destination finale• Chaque terminal doit découvrir dynamiquement des chemins vers son

destinataire

PROBLÈMES

• Capacités limitées des différents liens entre terminaux. Elles sont lieés aux ressources spectrales allouées, au niveau de protection contre les erreurs, à la qualité de la liaison qui peut fortement varier en fonction de la localisa-tion des terminaux.

• Présences d’intérférences dues à la propagation radioélectrique. La res-source radio étant comune à tous les éléments du réseau, chaque terminal reçoit de l’interférence provenant des autres terminaux. Ceci se traduit par une diminution des performances et de la qualité des liaisons élémentaires

• Mobilité des noeuds qui imposent l’utilisation d’un routage dynamique qui doit être d’autant plus performant que la vitesse des terminaux est impor-tante.

APPORT DU TRAITEMENT D’ANTENNE DANS CE CONTEXTE

• Traitement d’antenne permet d’améliorer les performances des liaisons radioélectriques en terme de diversité, de réduction d’interférence multi-uti-lisateur et d’égalisation.

• Il est également possible d’obtenir une information sur la position des émet-teurs

• Utiliser le traitement d’antenne pour augmenter les performances des liaisons élémentaires

• En tenir compte dans les protocoles