antennes intelligentes
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ANTENNES INTELLIGENTES. 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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1
ANTENNES INTELLIGENTES ANTENNES INTELLIGENTES
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 2
PLAN DU COURSPLAN DU COURS
IntroductionHistorique, 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
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PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILESPROBLEME 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...)
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PROBLEME DANS LES RESEAUX MOBILESPROBLEME 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
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DEPLOIEMENT CELLULAIREDEPLOIEMENT 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
N 1 3 4 7 9 12 13 19n=3 C/I (dB) -0.6 6,5 8,4 12 13,6 15,5 16 18,5n=4 C/I (dB) 1,75 11 13,8 18,7 20,8 23,3 24 27,3
Passage au tri-sectoriel
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DEPLOIEMENT OMNIDIRECTIONNELDEPLOIEMENT OMNIDIRECTIONNEL
Cellules co-canal
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DEPLOIEMENT TRI-SECTORIELDEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL
0.5
1
1.5
2
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Remplacement d’une cellule omnidirectionnelle par trois secteurs de 120°
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DEPLOIEMENT TRI-SECTORIELDEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL
Cellules co-canal
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DEPLOIEMENT TRI-SECTORIELDEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL
0.5
1
1.5
2
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Avantages :Meilleure gestion des
puissances
Meilleure réutilisation des fréquences
Surcoût faible
N 1 3 4 7 9 12 13 19n=3 C/I (dB) -0.6 6,5 8,4 12 13,6 15,5 16 18,5n=4 C/I (dB) 1,75 11 13,8 18,7 20,8 23,3 24 27,3
valeur avec ant. omnidirectionnelles
valeur avec ant. sectorielles
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UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALEUTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE
L’utilisation de 2 antennes espacées permet de limiter les affaiblissements dûs aux trajets multiples
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UTILISATION DE DIVERSITE SPATIALEUTILISATION DE DIVERSITE SPATIALE
Techniques de diversité spatiale mais aussi fréquentielle, temporelle ou de polarisation
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BALAYAGE DE FAISCEAUXBALAYAGE 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.
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BALAYAGE DE FAISCEAUXBALAYAGE DE FAISCEAUX
Permet encore un gain significatif, mais avec
une structure physique plus lourde
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• Problématique– Comment peut-on combiner plusieurs
antennes en réception pour améliorer au mieux le signal ???
ANTENNES ADAPTATIVES EN RECEPTIONANTENNES ADAPTATIVES EN RECEPTION
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ANALOGIE EN ACOUSTIQUEANALOGIE 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 »)
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Deux signaux reçus, décalés (déphasés)
DIFFERENCE DE TRAJET SUR 2 ANTENNESDIFFERENCE DE TRAJET SUR 2 ANTENNES
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Signaux reçus :
• 1 direction d ’arrivée du signal ()
• 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 :
cos02
cos01
)()(
)()(dj
dj
efSfS
efSfS
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Modèle plus général :
• N capteurs • chaque capteur reçoit un signal modifié par le canal
)()()(
)()()(
)()()(
0
022
011
fSfHfS
fSfHfS
fSfHfS
NN
fonction de transfert du canal
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Modèle en bande étroite : • on peut assimiler Hi à une constante complexe
0
022
011
SHS
SHS
SHS
NN
0SHS
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Combinaison dans un environnement de bruit blanc
PRISE EN COMPTE DU BRUITPRISE EN COMPTE DU BRUIT
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– Signal reçu :
– on choisit un filtre tel que :
– prenons :
NSHS 0
00 SNSHFS T
HH
HF
*
UTILISATION DE FILTREUTILISATION DE FILTRE
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• Exemple des 2 antennes :
– le filtre correspondant :
NSHS 0
HH
HF
*
0
0
cos
cos
dj
dj
e
eH
0
0
cos
cos
2
1dj
dj
e
eF
pondération de phase
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• Sélectivité :– 2 sources :
– on focalise avec le bon filtre sur M0.
0
1
0
0
cos
cos
0 2
1dj
dj
e
eF
1
1
cos
cos
1 2
1dj
dj
e
eH
0
0
cos
cos
0 2
1dj
dj
e
eH
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– Conséquence sur le signal reçu :
0
1
11000
1100
coscoscos SdSSFS
SHSHST
1010 SkSS
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• Démos ……
0 x
y
2d
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0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
0=0
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 27
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
0=/4
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 28
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
0=/2
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• Conséquence sur le niveau de bruit– si un seul capteur : bruit N; DSP : (f)– si plusieurs capteurs :
• matrice d’intercorrélation spectrale
QN
Matrice de cohérence
spatiale
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Matrice d’intercorrélation spectrale
– après filtrage :
– le gain en SNR lié au filtrage :
*' FF NT
N
*
2
FQF
HFG T
T
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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
5.0*' FF NT
N
25.0
1*
2
FQF
HFG T
T
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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 2d>/2.
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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
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S
I
REJECTION D’INTERFERENCEREJECTION D’INTERFERENCE
But : atténuer le plus possible l’influence d’un signal interférent sur la réception du signal utile
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 35
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 36
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
Interférent bien filtré Interférent mal filtré
S
I
S
I
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– Objectif : pénaliser les directions où un mobile est présent
• la direction de la source S est caractérisée par son filtre de propagation. H0
• La direction de l’interférent I est caractérisé par son filtre propre H1.
– Chercher un filtre qui maximise S en minimisant I.
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 38
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 39
– 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
11 FFIN
NQ 0
10
*
01
HQH
HQF
pondération amplitude et phase
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0.2
0.4
0.6
0.8
1
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 00
0=/4; int=[/3,0] ;4 antennes, 2d=0.5filtre classique
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 41
0.5
1
1.5
30
210
60
240
90
270
120
300
150
330
180 0
0=/4; int=[/3,0] ;4 antennes, 2d=0.5filtre avec réjection
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 42
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 43
Applications• dissocier les signaux émis par 2 mobiles utiles (ou
N), simultanément.
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 44
• 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 45
ANTENNES ADAPTATIVES EN EMISSIONANTENNES 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 46
– 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 47
DIFFERENTS ALGORITHMESDIFFERENTS 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 48
SEQUENCE D’APPRENTISSAGESEQUENCE 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 49
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 50
Emission alternée d’un symbole sur A1 et A2 :
hh11
hh22
012 ,,,,,, aaaan
01 ,0,,0,,,0,, aaan
0,,0,,,0,,, 01 aaan
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 51
Algorithme de détection :• l ’algorithme travaille sur 2 périodes
1ère impulsion : mm ahr 12
2ième impulsion : mm ahr 212
combinaison : mmmm ahhrhrha 2
2
2
112*22
*1
inconvénient : on divise le débit par 2.
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 52
Emission simultanée de 2 symboles sur A1 et A2 :
hh11
hh22
012 ,,,,,, aaaan
0*12
*32
*12 ,,,,,,,, aaaaaa mm
1*03
*212
*2 ,,,,,,,, aaaaaa mm
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 53
Algorithme de détection :• l ’algorithme travaille sur 2 périodes
1ère impulsion : 1212 mmm ahahr
2ième impulsion : *22
*12112 mmm ahahr
combinaison : 12
2
2
2
1*
1212*212
2
2
2
2
1*
1222*12
mmmm
mmmm
ahhrhrha
ahhrhrha
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 54
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.
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CONNAISSANCE DE LA DOACONNAISSANCE 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
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ILLUSTRATIONILLUSTRATION
Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 57
ALGORITHMES AVEUGLESALGORITHMES 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 58
CONCLUSIONCONCLUSION
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 59
Smart Antennas in Mobile Communications on the Globe
Radio Design AB (SW)
NMT-450
TSUNAMI-SUNBEAM-SATURN/METRA Projects (EU)
- Wide range of R&D activity- Recommendations for standardization- Field Trials GSM/DCS 1800 system
ArrayComm (USA)- installations in WLL - tests for GSM 1800
Metawave (USA)Commercially availableIntelliCellSwitched Beam System
ARPA (USA )/GloMo project
Raytheon (USA)Commercially available FullyAdaptive Smart Antenna System
Ericsson (SW) first system system solution with SA GSM (commercially available)
“ IntelliWave” Wireless Local Loop System
NTT DoCoMo(Japan)
Testbed for UTRA
GigabitWireless(USA)
WLL
UMTS ?