Réseau d’antennes mimo

L’introduction des systèmes MIMO peut offrir un gain significatif en capacité et en diversité par rapport aux systèmes traditionnels SISO (Single Input Single Output) [1, 2, 3]. Par conséquent, la teclmique de transmission avec antennes multiples est intégrée dans les futurs systèmes sans fil pour fournir plus de fiabilité et des débits plus élevés. Malheureusement, les performances des systèmes MIMO dépendent des conditions du canal radio [ 4]. Pour maintenir une Qualité de service cible dans les systèmes conventionnels à antennes multiples, les paramètres de transmission (par exemple le débit, la modulation, le codage et la puissance, etc.) devraient être ajustés par rapport au cas le plus défavorable.

Ceci rend insuffisante l’utilisation de la largeur de bande du canal dans les conditions favorables. Par ailleurs, l’utilisation des antennes multiples exige des dispositifs particuliers (par exemple chaînes radio) qui augmentent le coût et la complexité de ces systèmes.

Plusieurs techniques ont été proposées pour faire face à ces limitations, par exemple la modulation adaptative . La teclmique de modulation adaptative vise, en respectant une QoS (Quality of Service) cible, à maximiser le débit , ou réduire au minimum la puissance de transmission [9] suivant les conditions du canal. Notre projet de recherche s’inscrit dans un des volets de recherche entrepris par le Laboratoire de Recherche Télébec en Communications Souterraines (LRTCS) et portant sur la modulation adaptative associée aux teclmiques de transmission haut débit et, plus particulièrement, les techniques basées sur les multi-émetteurs, multi-récepteurs (MIMO). Nos Objectifs sont l’étude, et la caractérisation expérimentale des canaux de propagation MIMO à 2.4 GHz pour les communications à longue portée utilisant deux types d’ antennes (monopole: MIMOM et patch: MIMOP) pour le but d’étudier l’influence de la directivité sur le canal de propagation MIMO et sur la modulation adaptative dans la mine souterraine. En deuxième partie, ce projet a contribué à l’étude et la caractérisation expérimentale du canal MIMO ultra large bande (ULB) pour les communications très hautes débit à courte portée et l’associé à la modulation adaptative afin d’augmenter l’efficacité spectrale.

Modulation adaptative appliquée au système MIMOULB dans un environnement minier souterrain

Dans les dernières années, les systèmes MIMO ont attiré un grand intérêt des universitaires et les centres de recherches pour leurs pouvoirs à augmenter la capacité du canal sans utiliser de ressources spectrales supplémentaires. Le taux de débit fourni par une telle technologie a été largement exploité dans les systèmes à bande étroite, alors que ce n’est que récemment les avantages de l’intégration de la technique des communications MIMO à très large bande (ULB) ont été étudiés [56].

En fait, la technologie MIMO offre la possibilité d’améliorer les performances substantielles des systèmes ULB et résoudre certains de leurs problèmes clés, comme mentionnés dans la littérature [56, 57, 58]. Par ailleurs, les performances de ces systèmes est fortement dépendantes des propriétés du canal de propagation sans fil, et une compréhension du canal est donc cruciale dans la conception des futurs systèmes sans fil.

Parallèlement, la technologie de radiocommunication ULB a été prouvée très faisable pour les communications à très haut débit à courte portée, tel que le réseau personnel sans fil (Wireless Personal Area Network WPAN) [59]. ULB a également été utilisée dans les communications câblées pour résoudre le problème du débit de transmission limité sur un canal de ligne à haute tension (PowerLine Channel PLC) [60]. Quelques études ont été effectuées sur la transmission de signaux ULB sur le canal de PLC [61, 62]. Le système de transmission a montré un grand nombre de défauts, c’est-à-dire qu’il est difficile de recueillir l’énergie des multi-trajets en utilisant une fréquence radio unique (RF.

Réseau d’antennes MIMO 

Le système d’antenne MIMO utilisé lors de la compagne de mesure est constitué d’un réseau d’antennes Vivaldi MIMO-ULB 2X2 (64], est co nçu en utilisant le logiciel de conception d’antenne HFSS basé sur la méthode des éléments finis (FEM) et fabriqué dans notre laboratoire et utilisée pour la transmission et la réception du signal RF. L’antenne Vivaldi offre un gain moyen de 12 dBi et une largeur de faisceau à 3 dB d’environ 30 °.

Cependant, la raison derrière le choix de ce type d’antenne parmi les autres antennes ULB vient du fait qu’il offre un diagramme de rayonnement stable et un gain élevé de 3 GHz à 10 GHz. En fait deux différentes configurations d’antennes ont été examinées au cours des campagnes de mesures. La première est la configuration régulière (MIMO-R), où les deux antennes MIMO sont placées en parallèle avec une distance de séparation de 6 cm, a La distance de 6 cm correspond à la moitié de la longueur d’onde moyenne. Toutefois, pour la seconde configuration (MIMO-A) un angle de 30 ° (15 ° de chaque côté) est formé. Cela est obtenu en maintenant l es extrémités d’alimentation des antennes à 6 cm tout en faisant tourner symétriquement les autres extrémités jusqu’à obtenir 30°,  Cet angle est choisi en fonction de la largeur de faisceau d’antennes de 3 dB pour assurer une orthogonalité entre les faisceaux. Par conséquent,  cette dernière disposition offre une couverture plus large et peut favoriser certains signaux multi·trajets et donc produit une matrice de canal moins corrélée.

Cam pagnes de mesure 

Notre analyse est basée sur des mesures du canal ULB dans la fréquence allant de 3.1 à 10.6 GHz, soit une bande passante de WB = 7.5 GHz à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (PNA, Agilent E8363B). Le montage expérimental du système de mesure est montré dans la figure 4.3. Le système est composé principalement de deux ensembles identiques des antennes Vivaldi (à l’émission et à la réception) placés à une hauteur de 1,30 rn au-dessus du niveau du sol et connectée aux ports d’entrée et de sortie de l’analyseur de réseau PNA. Deux commutateurs RF rapides (Pulsar, SW2AD-22), un amplificateur de puissance (PA) pour la transmission de signaux et un amplificateur à faible bruit (LNA) pour la réception de signaux ont été utilisés pour compenser les pertes dues aux câbles coaxiaux. Les deux amplificateurs disposent d’un gain de 30 dB chacun. En fait, chaque canal est mesuré de manière séquentielle à l’aide des commutateurs en supposant que le canal est statique, et tout le système de mesure est calibré pour l’atténuation et de la distorsion de phase.

Capacité 

Puisque le gain de la capacité lié à l’utilisation des systèmes MIMO est principalement dû à l’exploitation des trajets multiples, la plupart des auteurs ont mis l’accent sur cette propriété en normalisant le SNR de la matrice du canal [66, 65]. Toutefois, les scénarios NLOS qui sont pourtant riches en trajets multiples et devraient fournir une grande capacité aboutissent malheureusement à des faibles SNR. Par contre, les scénarios avec LoS ont généralement un SNR élevé bien qu’ayant de moindres multi trajet. Ainsi, l’abondance en trajets multiples et le SNR ne sont généralement pas indépendants et certaines précautions doivent être prises lors de la normalisation du SNR dans l’étude des performances des systèmes. Par conséquent, dans le cas des applications pratiques, nous avons considéré une puissance transmise constante de 10 dBm et un niveau de bruit de -110 dBm. En outre, le SNR moyen au niveau du récepteur pour chaque réalisation du canal change avec la variation de la perte de propagation. Dans ce cas, la capacité comprend à la fois les effets liés à la puissance reçue et la diversité spatiale .

CONCLUSION GENERALE 

Dans ce travail de maîtrise, les caractéristiques des canaux de propagation du réseau local sans fil (2,4 GHz) et ULB (3-10 GHz) sont analysées à partir des mesures expérimentales effectuées dans un environnement minier souterrain. Nous avons présenté les performances de la modulation adaptative appliquée au standard LTE par une exploration des caractéristiques du canal à 2,4 GHz en utilisant le logiciel de simulation System Vue. Deux différents types d’antennes ont été considérés durant les mesures à 2.4 GHz: le monopôle (omnidirectionnel) et le patch (directionnel), afin d’étudier l’effet de directivité de l’antenne sur les performances du canal MIMO et sur la modulation adaptative. Il a été démontré que l’antenne monopôle (MIMOM) présente de meilleures performances en termes de capacité que celle donnée par l’antenne patch (MIMOP). Par conséquent, le gain de capacité dépend des caractéristiques de propagation par trajets multiples et des propriétés d’antenne (caractéristiques de rayonnement). D’autre part, nous avons conçu un système adaptatif afin de maximiser l’efficacité spectrale (nombre de bits utilisé) tout en satisfaisant une contrainte sur la probabilité d’erreur. Il a aussi été prouvé que MIMOP présente de meilleures performances en termes du TEB que MIMOM dans la galerie de mine souterraine.

 

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Table des matières

Chapitre 1  Introduction générale 
1.1 Problématique
1. 2 But de la recherche
1.3 Méthodologie de la recherche
1.4 Structure de la mémoire
1.5 Publications
Chapitre 2  État de l’art 
2.1 Systèmes MIM
2.1.1 Le canal MIMO
2.1.2 La matrice du canal
2.1.3 La corrélation entre les liens MIMO
2.1.4 La capacité du canal
2.1.5 La relation entre la capacité et la corrélation des liens
2.2 Modélisation du canal radio
2.2.1 Phénomènes physiques
2.2.2 Description et paramètres du canal…
2.3 Modulation adaptative
2.3.1 Introduction :
2.3.2 Modèle proposé de la modulation adaptative :
2.4 Le protocole de mesures expérimentales
Chapitre 3  Effet de la directivité d’antenne sur les performances de la modulation adaptative dans une mine d’or souterraine 
3.1 Introduction
3.2 Mesures expérimental.
3.2.1 Description de l’environnement souterrain
3.2.2 Réseau d’antennes MIMO
3.2.3 Campagnes de mesure
3.3 Résultats de mesure
3.3.1 Profil Moyen en Puissance PMP
3.3.2 Facteur de Rice
3.3.3 Corrélation
3.3.4 Capacité
3.4 Effet de la directivité de l ‘antenne pour MIMOM et MIMOP
3.4.1 Simulation en utilisant SystemVue
3.4.2 Résultats du système LTE
3.4.3 Modulation optimale pour le système LTE MIMO
3.5 Conclusion
Chapitre 4  Modulation adaptative appliquée au système l\1IMO-ULB dans un environnement minier souterrain 
4.1 Introduction
4.2 Mesures expérimentales
4.2.1 Description de l’environnement minier souterrain
4.2.2 Réseau d’antennes MIMO
4.2.3 Campagnes de mesure
4.3 Résultats de mesure
4.3.1 Modèle de canaux MIMO
4.3.2Capacité
4.4 Modulation optimale pour le système WPAN-ULB
4.5 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE

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