Recherche des caractéristiques optimales d’antennes multi-capteurs pour les systèmes MIMO

Systèmes MIMO et performances attendues

   Les systèmes MIMO, constitués d’un réseau d’antennes à l’émission et à la réception (Figure 1), tirent parti de la multiplicité des trajets de propagation hertzienne et de la diversité pour augmenter la capacité de transmission du canal. La transformation qui affecte les signaux pendant la traversée du canal, représentée en bande étroite par une matrice complexe, possède des modes propres. Emettre selon ces modes propres permet de faire ressortir des canaux virtuellement indépendants qui constituent autant de liens par lesquels on peut transmettre l’information. La capacité du canal est donc la somme des capacités obtenues sur chacun de ces canaux virtuels. Nous pouvons décomposer la problématique des systèmes MIMO en trois domaines dépendants les uns des autres : l’environnement de propagation, les antennes multicapteurs et le traitement du signal.

Les modèles statistiques

   Les modèles statistiques considèrent le canal de propagation comme un processus aléatoire caractérisé par un ensemble de lois statistiques. Les deux principaux modèles sont le modèle de Rayleigh et le modèle de Kronecker. Le modèle i.i.d. (Identically and Independently Distributed) de Rayleigh suppose que les coefficients d’atténuation entre les émetteurs et les récepteurs sont indépendants et identiquement distribués. Ils suivent une loi de Rayleigh. Autrement dit, les signaux reçus sont décorrélés. Sous ces hypothèses, la capacité augmente linéairement en fonction du nombre minimum d’antennes d’émission et de réception pour un grand nombre d’antennes [Fos98]. On considèrera le cas i.i.d. de Rayleigh comme le cas idéal. Le modèle statistique le plus utilisé est le modèle de Kronecker [Ker02, Ped00]. Il introduit pour chaque trajet une matrice de corrélation contenant le coefficient de corrélation entre chaque branche SISO du canal MIMO. Les propriétés des paramètres spatiaux (notamment les DOD et DOA) à chaque extrémité du lien radio sont indépendantes. On n’a donc pas de corrélation directe entre un angle à l’émission et un angle à la réception. Ce modèle a tendance à sousestimer la capacité du canal principalement en environnement intérieur et pour des antennes avec une large ouverture [Ozce03, Oes06]. Parmi les modèles statistiques développés récemment, on trouve le modèle SCM du 3GPP [3GPP] pour des environnements urbains micro et macro-cellulaires et suburbains. Ce modèle fournit de façon statistique des paramètres nécessaires à la description du canal MIMO comme la phase, les retards, les DOD, les DOA de chaque chemin. De plus, il tient compte de l’espace entre les éléments du réseau à l’émetteur et au récepteur, ce qui rend possible l’étude du couplage mutuel. Une étude [Pan07] a montré que les résultats de capacité obtenus avec le modèle SMC sont  30% plus faibles que ceux issus des mesures. Les modèles statistiques ne sont pas assez précis pour l’évaluation de la capacité. Celle-ci a tendance à être surestimée ou sous-estimée par rapport aux données mesurées. D’autres modèles (géométrique ou à rayons) plus précis ont été développés pour calculer les grandeurs physiques du canal de propagation.

Génération des flux

   Le générateur de flux regroupe toute la partie codage canal, entrelacement et modulation. Il crée un certain nombre de suites de symboles (ou flux) à partir du flot des bits d’information d’entrée suivant plusieurs dimensions (espace, temps, fréquence). La génération de flux indépendants vise à exploiter la dimension spatiale du canal pour augmenter le débit (codage H-BLAST par exemple [Wol98, Gol99]). D’autres techniques introduisent des redondances entre flux en répartissant les bits codés à la fois dans l’espace et le temps. On parle alors de codage “Espace-Temps” (code vertical avec modulation ST-BICM [Ton00], code en blocs orthogonaux [Ala98], en “treillis”, code “produits”, code à dispersion linéaire, …).

Les fichiers “Modèle”

   Les fichiers “Modèle” (Figure 62) issus des différents modèles de propagation ont le même format. Ils sont donnés pour une position de station de base et une position de mobile en fonction de la fréquence, et contiennent toutes les caractéristiques de chaque rayon :
– T : le temps de propagation du rayon en seconde
– G : le gain en puissance en dB pour un rayon émis suivant E et reçu suivant E
– P : la phase en radians, calculée par défaut en considérant la rotation de phase due à la propagation en espace libre (2 longueur_rayon/), et enrichie si possible par le déphasage induit par les différentes réflexions, transmissions et diffractions subies par l’onde électromagnétique
– G : le gain en puissance en dB pour un rayon émis suivant E et reçu suivant E
– P : la phase en radians associée
– G : le gain en puissance en dB pour un rayon émis suivant E et reçu suivant E
– P : la phase en radians associée
– G : le gain en puissance en dB pour un rayon émis suivant E et reçu suivant E
– P : la phase en radians associée
– e : l’azimut du rayon à la station de base en degrés
– e : l’élévation du rayon à la station de base en degrés
– r : l’azimut du rayon au mobile en degrés

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Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Principe des systèmes MIMO
1 Systèmes MIMO et performances attendues
2 La propagation
2.1 Les modèles statistiques
2.2 Les modèles géométriques
2.3 Les modèles à rayons
2.4 Les modèles issus de campagnes de mesures
3 Antennes multi-capteurs
3.1 La diversité antennaire
3.1.1 Diversité d’espace
3.1.2 Diversité de diagramme
3.1.3 Diversité de polarisation
3.2 Les techniques de miniaturisation
3.2.1 Contexte et considérations économiques
3.2.2 Modification du design
3.2.3 Utilisation de charges ou de courts-circuits
3.2.4 Substrats à haute permittivité
4 Quelques généralités sur le traitement du signal
4.1 Techniques de transmission
4.1.1 Génération des flux
4.1.2 Affectation des flux
4.2 Techniques de réception
4.2.1 Décodage des flux indépendants
4.2.2 Décodage des codes espace-temps
Chapitre 2 : Antennes multi-capteurs en téléphonie mobile
1 Caractérisation des antennes
1.1 Les paramètres S
1.2 La directivité
1.3 La bande passante
1.4 Le coefficient de corrélation
2 Conception d’une antenne multi-capteurs pour terminal mobile
2.1 Introduction
2.2 Géométrie de l’antenne
2.2.1 Configuration parallèle
2.2.2 Configuration orthogonale
2.3 Réalisation des prototypes d’étude
2.3.1 Prototype 1 : à courts-circuits plans
2.3.2 Prototype 2 : à courts-circuits filaires, substrat fin
2.3.3 Prototype 3 : à courts-circuits filaires, substrat épais
2.4 Analyse des performances
2.4.1 Paramètres S
2.4.2 Diagramme de rayonnement
2.5 Conclusion
3 Caractéristiques des autres antennes utilisées
3.1 Antennes de téléphone mobile
3.1.1 Antenne du projet ERMITAGES
3.1.2 Collaboration France Telecom / LEAT
3.1.3 Collaboration France Telecom / CEA-LETI
3.1.4 Antenne du projet 4MORE
3.1.5 Antenne isotrope
3.1.6 Conclusion
3.2 Antennes de station de base
3.2.1 Antenne du projet PAESTUM
3.2.2 Antenne du projet SATURN
3.2.3 Antenne du projet 4MORE
3.2.4 Conclusion
4 Tableau récapitulatif
Chapitre 3 : Méthode d’évaluation de la capacité MIMO
1 Modélisation numérique de la capacité MIMO
1.1 Introduction
1.2 Connaissance du canal à l’émetteur
1.2.1 Canal inconnu à l’émetteur
1.2.2 Canal connu
1.2.3 Canal partiellement connu
1.3 Matrice de transfert du canal
1.3.1 Définition
1.3.2 Normalisation
1.4 Capacités de référence
1.4.1 Capacité i.i.d. de Rayleigh
1.4.2 Capacité SISO
2 Le simulateur complet de capacité MIMO
2.1 Fichier E/S du simulateur
2.1.1 Fichiers entrée
2.1.2 Fichiers sortie
2.2 Le modèle de propagation GRIMM
2.2.1 Description
2.2.2 Statistiques
2.3 Les modèles MASCARAA
2.3.1 Les modèles géométriques reproductifs
2.3.2 Les modèles à rayons
2.3.3 Statistiques
2.4 Organigramme du simulateur de capacité
Chapitre 4 : Simulations de la capacité MIMO
1 Influence du modèle de propagation
1.1 Modèle i.i.d. de Rayleigh
1.2 Modèles à rayons GRIMM
1.3 Modèles tirés de mesures
1.4 Conclusion
2 Influence des antennes
2.1 Antenne du mobile
2.1.1 Nombre d’antennes
2.1.2 Orientation
2.1.3 Directivité
2.1.4 Conclusion
2.2 Antenne de station de base
2.3 Conclusion
3 Influence des pertes des antennes
4 Evaluation de la capacité à une autre fréquence : 5 GHz
5 Problème du bruit
6 Conclusion
Conclusion et perspectives
Annexe : Travaux complémentaires sur “L’influence de l’utilisateur”
Références
Publications

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