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Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 1 ANTENNES INTELLIGENTES ANTENNES INTELLIGENTES

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques dAntennes 1 ANTENNES INTELLIGENTES

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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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 3

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...)

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 4

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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 5

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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 6

DEPLOIEMENT OMNIDIRECTIONNELDEPLOIEMENT OMNIDIRECTIONNEL

Cellules co-canal

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 7

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°

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 8

DEPLOIEMENT TRI-SECTORIELDEPLOIEMENT TRI-SECTORIEL

Cellules co-canal

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 9

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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 11

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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 14

• 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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 18

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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 19

Modèle en bande étroite : • on peut assimiler Hi à une constante complexe

0

022

011

SHS

SHS

SHS

NN

0SHS

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 20

Combinaison dans un environnement de bruit blanc

PRISE EN COMPTE DU BRUITPRISE EN COMPTE DU BRUIT

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 21

– Signal reçu :

– on choisit un filtre tel que :

– prenons :

NSHS 0

00 SNSHFS T

HH

HF

*

UTILISATION DE FILTREUTILISATION DE FILTRE

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 22

• 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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 23

• 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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 24

– Conséquence sur le signal reçu :

0

1

11000

1100

coscoscos SdSSFS

SHSHST

1010 SkSS

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• Démos ……

0 x

y

2d

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 26

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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 29

• 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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 30

Matrice d’intercorrélation spectrale

– après filtrage :

– le gain en SNR lié au filtrage :

*' FF NT

N

*

2

FQF

HFG T

T

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 31

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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 32

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.

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 33

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 34

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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 37

– 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

Guillaume VILLEMAUD – Cours Techniques d’Antennes 40

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

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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

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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 ?