Traitement d antenne pour les télécommunications. J.F. Diouris IREENA, Equipe CNRF, Polytech Nantes

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1 Traitement d antenne pour les télécommunications J.F. Diouris IREENA, Equipe CNRF, Polytech Nantes

2 SOMMAIRE 1. Introduction 2. Diversité d espace 3. Antennes adaptatives 4. Méthodes d émission 5. Transmission MIMO 6. Localisation de sources 7. Systèmes d antennes pour terminaux 8. Traitement d antennes dans le contexte réseau ad hoc

3 1. Introduction 1. les systèmes de communication avec les mobiles 2. Les canaux de propagation 3. L interférence multiaccès et intercellulaires 4. L interférence intersymbole

4 1.1 les systèmes de communication avec les mobiles Véhicule 3g et évolution Après 3G Mobilité Pieton GSM/GPRS/EDGE WCDMA rel 4 modulations adaptatives WCDMA rel 5 Stationnaire Wlan a Wlan b Débit

5 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

6 1.2 Le canal de propagation radiomobile Le fading ou évanouissement du signal La dispersion temporelle Amplitude (db) temps (ms)

7 DISPERSION ET ÉVOLUTION TEMPORELLE DU CANAL CANAL Entrée Canal à Multitrajets Sortie c( τ, t) t t => Canal dispersif en temps (Tm : dispersion temporelle, Bc bande de cohérence) => Canal variable dans le temps (Tc temps de cohérence, Bd bande Doppler)

8 CARACTÉRISTIQUES DU CANAL Rapidité de modulation B=1/Ts Canal sélectif en fréquence Canal sélectif en temps et en fréquence Bc=1/Tm Canal non-sélectif en fréquence Canal sélectif en temps Tc durée des symboles Ts

9 1.3 L interférence multi-accès Cas TDMA Pas d Interférence multiaccès Interférence intercellulaire (Réutilisation des fréquences)

10 Cas CDMA Interférence multiaccès (dû à la dispersion temporelle du canal) Interférence intercellulaire

11 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 RAYLEIGH sur un canal de Rayleigh => Les performances sont BBAG très dégradées log(pe) Eb/No moyen (db)

12 2.2 Transmission en diversité Utiliser 2 ou N canaux de transmission qui ont des statistiques d évanouissements indépendantes Niveau reçu Canal 1 u t Canal2 u t p( α 1 < u,..., α N < u) = p( α 1 < u)...p( α N < u)

13 DIVERSITÉ PAR COMBINAISON OPTIMALE x 1 () t = a 1 st () + n 1 () t w 1 E x k () t = a k st () + n k () t yt () w k x N () t = a N st () + n N () t w k = µ a * k P σ 2 s N yt () = w k x k () t k = 1 w N Sur chaque canal Sortie du sommateur Le rapport signal sur bruit optimal est alors: γ = N k = 1 γ k

14 p( γ) = p( γ) 1 -- erfc( γ)dγ 2 0 Probabilité d erreur Diversité par combinaison optimale MDP2 rapport signal sur bruit moyen (db)

15 2.3 Diversité de réception en CDMA Récepteur de Rake en DPSK Corrélateur Q retards d n = Q q = 1 R[ ynq (, )y * ( n 1, q) ] Sortie du corrélateur t

16 RAKE2D Capteur 1 Filtre Adapté (ou corrélateur) Tc Tc Nc Nd Capteur 2 Filtre Adapté Tc Tc Capteur 3 Filtre Adapté Tc Tc + Détecteur Capteur 4 Filtre Adapté Tc Tc

17 DIVERSITÉ DE TRAJETS Ordre effectif de la diversité : N PD 1 2 σ T T c σ T Lorsque est faible la diversité est insuffisante => intérêt de la T c diversité d espace Réjection d interférences

18 3. LES ANTENNES ADAPTATIVES (et autres récepteurs multicapteurs)

19 3.1 Antennes adaptatives x 1 (t) x 1 (t) x x 2 (t) x 3 (t) x 2 (t) x 3 (t) w 1 x w 2 x + y(t) Sortie y(t) x N (t) x N (t) w 2 x Réseau w N Algorithme adaptatif Beaucoups de travaux sur les récepteurs multicapteurs Antennes adaptatives, MLSE, Détection conjointe etc...

20 APPLICATION AUX STATIONS DE BASES S adapter à l évolution de la densité des utilisateurs. - réduction du facteur de réutilisation des fréquences en TDMA - réduction de l interférence inter-cellulaire en TDMA - réduction de l interférence multiaccès en CDMA

21 3.2 Egalisation multicapteur Le problème Transmission numérique sur un canal sélectif en fréquence variant dans le temps Dispersion temporelle du canal introduit de l interférence intersymboles Emetteur Canal Egaliseur Récepteur

22 EGALISATION MULTICAPTEUR Emetteur Canal Canal Egaliseur Récepteur Canal

23 Le théorème de Bézout Emetteur C 1 ( z) E 1 ( z) Récepteur C 2 ( z) E 2 ( z) Si C 1 ( z) et C 2 ( z) sont premier entre eux alors il existe E 1 ( z) et E 2 ( z) tels que : C 1 ( z)e 1 ( z) + C 2 ( z)e 2 ( z) = z K

24 4. Méthodes d émission Formation de voies en émission Diversité d émission

25 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

26 Mode TDD APPLICATION R Tx Rx Mode FDD Tx R Tx Transposition de fréquence R rx Rx

27 Un exemple (émission liaison downlink): SECTORISATION ADAPTATIVE Allocation de secteurs Estimation des directions d arrivées Détermination des pondérations Xt () = W t St () si(t) réduction du facteur de réutilisation des fréquences => Augmentation de la capacité des systèmes.

28 4.2 La diversité d émission Diversité par retard E T 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

29 Diversité d émission avec feedback w1 h 1 recepteur w2 Modèle du signal reçu: h 2 feedback sur la voie retour La voie retour fournit H => on choisit les pondérations Dans ce cas: yt () = W t Hxt () + nt () * w i = h yt () = ( h 1 + h 2 )xt () + nt () (1) (2) (3) Le rapport signal sur bruit est rsb = P x σ ( h 1 + h 2 )

30 Codage spatio-temporel exemple : code d ALAMOUTI temps * x Code ST 1 x 2 x 1 x 2 * x 2 x 1 espace signal reçu à l instant t1 : signal reçu à l instant t2 : que l on peut écrire : y 1 = h 1 x 1 + h 2 x 2 + n 1 y 2 = * * h 1 x 2 + h 2 x 1 + n 1 Y y 1 h 1 h 2 x 1 n 1 = = + = Hx + n x 2 y 2 * h 2 * h 1 * n 2 * Le récepteur calcul: Ỹ H *t 2 2 y ( h 1 + h 2 ) x 1 n = = + 1 x 2 n 2

31 On trouve que n 1 et n 2 sont indépendants. Calculons le rapport signal sur bruit: Soit 3dB de moins que MRC. SNR = P T ( h 2σ h 2 )

32 5. TRANSMISSION MIMO 5.1 Les canaux MIMO TX H = h 11 h h 1M RX h N h NM M antennes d émission N antennes de réception

33 MODÈLE DE CANAL y = Hx + n Décomposition de H: NxM H = UDV *t Nxm mxm mxm U et V sont des matrices unitaires : D est une matrice formée de valeurs propres de H m = min( NM, ) UU *t = VV *t = I

34 CANAUX VIRTUELS x H = UDV H y Précodage n x V x H = UDV H y U H ỹ n ỹ = U H ( UDV H )Vx + U H n = Dx + ñ On obtient donc m canaux indépendants.

35 5.2 Capacité d un système MIMO Capacité d un canal SISO: 2 C i = log( 1 + ρλ i ) Pour comparer les performances, on travaille à puissance émise totale constante => Puissance émise sur chaque antenne = P t M La capacité d un canal MIMO est : m m C = C i = 1 i = 1 i = 1 Remarque : cas où λ i = λ i: log ρ 2 λ M i C = m log 1 ρ λ 2 M Capacité équivalente à m canaux parallèles identiques La capacité dépend des caractéristiques du canal (corrélation entre voies etc...)

36 la capacité est une variable aléatoire. On appelle capacité ergodique : C E = E logdet I ρ N HH *t M

37 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 b4 b7 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 b9 Emetteur b2 b5 b8 b3 b6 b9 RÉCEPTEUR

38 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 annulés. L ordre d estimation des symboles est très important pour les performances.

39 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

40 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

41 EXEMPLE DE RECEPTEUR RF UMTS DEUX VOIES V G A ADC BPF SAW LNA I Q 90 First order filter 4-6 bits V G A ADC Tx Gilbert cells mixers V G A ADC I BPF SAW LNA Q 90 First order filter 4-6 bits V G A ADC Tx Divide by 2 Frequency synthetisor 2xLO : 4220 to 4340 MHz

42 Les applications de communications à l intérieur des bâtiments pour lesquelles le multitrajet et les phénomènes d ombrage sont importants. 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 quelconques avec une polarisation également quelconque.

43 Les applications de type satellite pour lesquelles le gain du réseau est un paramètre fondamental. De plus les conditions de propagation étant moins complexes que dans le cas précédent, on peut supposer que la polarisation de réception doit être adaptée à celle d émission. Le système d antennes est proposé ci-contre : deux antennes imprimées à polarisation circulaire sur un plan métallique limité.

44 Les applications de type transmission de données à haut-débit fonctionnent dans des environnements identiques au premier cas traité: le système proposé est représenté ci-contre. Trois antennes orientées différemment sont disposées sur une pyramide tronquée. Une antenne omnidirectionnelle est placée au sommet comme référence.

45 Diversité de polarisation

46 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

47 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 localisation des terminaux. Présences d intérférences dues à la propagation radioélectrique. La ressource 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 importante.

48 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-utilisateur et d égalisation. Il est également possible d obtenir une information sur la position des émetteurs Utiliser le traitement d antenne pour augmenter les performances des liaisons élémentaires En tenir compte dans les protocoles