Ensuite, nous avons réalisé un outil pour évaluer la capacité MIMO en tenant compte à la fois des propriétés du canal de propagation et des antennes. Cette thèse a permis de mettre en évidence les caractéristiques importantes des systèmes multi-antennes sur le mobile et la station de base pour l'évaluation de la capacité MIMO.
Principe des systèmes MIMO
- Les modèles statistiques
- Les modèles géométriques
- Les modèles à rayons
- Les modèles issus de campagnes de mesures
- La diversité antennaire
- Diversité d’espace
- Diversité de diagramme
- Diversité de polarisation
- Les techniques de miniaturisation
- Contexte et considérations économiques
- Modification du design
- Utilisation de charges ou de courts-circuits
- Substrats à haute permittivité
- Techniques de transmission
- Génération des flux
- Affectation des flux
- Techniques de réception
- Décodage des flux indépendants
- Décodage des codes espace-temps
La réception multi-capteurs sur le terminal permet de réduire la puissance d'émission de la station de base. La réduction conduit à des difficultés de réglage et à une réduction significative de la bande passante et de l'efficacité du rayonnement.
Antennes multi-capteurs en téléphonie mobile
Les paramètres S
Le rendement de l'antenne est un autre moyen d'évaluer les pertes au niveau de l'antenne mais aussi entre le générateur et l'antenne. Le rendement total comprend également les pertes entre le générateur et l'antenne (pertes ohmiques dans les câbles de puissance, connexions).
La directivité
La bande passante
Le coefficient de corrélation
Introduction
Ces études ont été réalisées sur un plan de masse de taille finie à l'aide du logiciel de simulation électromagnétique HFSS (Ansoft). Nous avons obtenu une structure constituée de deux éléments rayonnants PIFA de dimensions 12,5 x 30 mm² (soit /12 x /5) montés sur une plaque de masse de dimension 44x100 mm².
Géométrie de l'antenne
- Configuration parallèle
- Configuration orthogonale
La largeur du plan de masse a été choisie pour que deux éléments puissent être disposés orthogonalement, la longueur a été fixée par les spécifications couramment utilisées par les constructeurs. Entre chaque patch et le plan de masse, le court-circuit du plan ou des fils est utilisé pour réduire la taille du patch.
Réalisation des prototypes d'étude
- Prototype 1 : à courts-circuits plans
- Prototype 2 : à courts-circuits filaires, substrat fin
- Prototype 3 : à courts-circuits filaires, substrat épais
Pour la configuration orthogonale, les dimensions de la configuration parallèle sont largement conservées. Il s'agit de la distance maximale possible compte tenu de la taille fixe du plan terrestre. Industriellement, il est difficile de reproduire à l'identique, notamment au niveau de la courbure de la tôle des éléments rayonnants.
Les vis supérieures sont décalées vers l'intérieur de la plaque de sol pour permettre à tous les correctifs de reposer sur le bord de la plaque de sol.
Analyse des performances
- Paramètres S
- Diagramme de rayonnement
Pour la configuration parallèle, les pertes de désadaptation sont d'environ 3 % et les pertes de couplage sont d'environ 8 %. Pour la configuration parallèle, les pertes de désadaptation sont d'environ 2 % et les pertes de couplage sont d'environ 8 %. Dans la configuration parallèle (Figure 24 et Figure 25), le champ E domine sur le champ E.
Dans la configuration orthogonale (Figure 26 et Figure 27), le champ E prédomine toujours pour les deux éléments rayonnants.
Conclusion
A titre de comparaison, en plus des antennes réalisées dans le cadre de cette thèse, nous avons calculé les capacités avec plusieurs autres antennes mobiles, qui sont issues de divers travaux internes (projets ERMITAGES et 4MORE) ou de collaborations externes avec le LEAT de Sophia-Antipolis et le CEA-LETI de Grenoble. Pour quantifier les performances des systèmes MIMO par l'estimation des performances, nous avons besoin de connaître les caractéristiques des antennes à chaque extrémité de la liaison radio. Par conséquent, nous présentons également les deux antennes de station de base qui ont été utilisées pour calculer les performances à 2 GHz et celles qui ont été utilisées à 5 GHz.
Antennes de téléphone mobile
- Antenne du projet ERMITAGES
- Collaboration France Telecom / LEAT
- Collaboration France Telecom / CEA-LETI
- Antenne du projet 4MORE
- Antenne isotrope
- Conclusion
Les diagrammes de rayonnement ont été mesurés dans une chambre anéchoïque, l'antenne de test étant positionnée à 3,50 m de la sonde émettrice. Rappelons que les diagrammes de rayonnement sont présentés pour une antenne placée verticalement dans le plan (Oyz) et dirigée dans la direction x positive. La directivité des diagrammes de rayonnement des deux éléments est de l'ordre de 5 dB, soit 4 fois plus que les antennes du projet ANTECH.
Le diagramme de rayonnement de l'élément supérieur (Figure 29) a une direction de rayonnement préférée autour de -6° in et autour de 114° in.
Antennes de station de base
- Antenne du projet PAESTUM
- Antenne du projet SATURN
- Antenne du projet 4MORE
- Conclusion
Cette antenne ne peut pas être réalisée physiquement mais elle servira de point de comparaison en simulant la capacité par rapport aux antennes réelles qui sont plus directives. 34 ; intelligents" offrent la possibilité de modifier leur diagramme de rayonnement en fonction de la position de l'utilisateur, de la direction et de l'intensité des interférences. Les dipôles de deux rangées consécutives sont placés perpendiculairement à ±45° pour obtenir une diversité de polarisation (Figure 52).
Le tableau 8 à la page suivante résume les caractéristiques essentielles des antennes (nombre d'éléments rayonnants, pertes, diagrammes de rayonnement) des antennes de station mobile et de station de base utilisées pour évaluer les performances des systèmes MIMO au chapitre 4.
Méthode d'évaluation de la capacité MIMO
Introduction
Le modèle du signal reçu d'un système avec nt antennes d'émission et nr antennes de réception est écrit dans le formulaire. Cette capacité est appelée capacité instantanée du canal et dépend de la valeur instantanée du canal. Il est possible de maximiser la capacité en choisissant judicieusement la matrice de distribution Q des signaux à transmettre.
Dans tous les cas, la restriction est imposée que la puissance totale émise ne dépasse pas une certaine quantité Pmax pour que Tr(Q)≤Pmax.
Connaissance du canal à l'émetteur
- Canal inconnu à l’émetteur
- Canal connu
- Canal partiellement connu
En pratique, la connaissance du canal peut n'être que partielle du fait de la sélectivité temporelle du canal et du temps d'aller-retour des informations du récepteur vers l'émetteur. Cependant, il est possible d'exploiter la connaissance partielle du canal à l'émetteur grâce à une statistique liée au canal, telle que la distribution, la moyenne ou la covariance [Gol03]. Les courbes représentent la capacité moyenne en fonction du rapport signal sur bruit selon la connaissance du canal au niveau de l'émetteur pour un système MIMO 4x4.
Le remplissage d'eau, appliqué dans le cas où le canal est parfaitement connu de l'émetteur (cas 1), donne la capacité la plus élevée.
Matrice de transfert du canal
- Définition
- Normalisation
Dans ce cas, le gain des antennes est pris en compte et les différents systèmes d'antennes sont comparables. La matrice de transfert de référence est calculée en faisant la moyenne des déplacements des positions mobiles dans le plan horizontal (Oxy). La matrice H0 est calculée grâce aux diagrammes de rayonnement des antennes et aux propriétés des faisceaux.
Capacités de référence
- Capacité i.i.d. de Rayleigh
- Capacité SISO
La matrice de transfert de canal n'est plus fonction du temps, de l'espace ou de la fréquence. Chaque terme de la matrice H entre le pième élément rayonnant de l'antenne émettrice et le 1ième élément rayonnant de l'antenne réceptrice est écrit. L'évaluation des performances MIMO d'un système d'antenne nécessite une modélisation précise de l'environnement de propagation.
L'un des objectifs de cette thèse était de concevoir un simulateur de capacité MIMO complet à partir de ces modèles incluant les caractéristiques d'antenne.
Fichier E/S du simulateur
- Fichiers entrée
- Fichiers sortie
Les fichiers "Antenne" (Figure 63) contiennent les valeurs du diagramme de rayonnement 3D de chaque capteur d'antenne en coordonnées polaires (module en dB et phase en degrés des champs E et E ajustés à la boucle externe et à la boucle interne). Le fichier "Configuration" contient de nombreuses informations sur la configuration de la simulation telles que le nombre d'antennes émettrices et le nombre d'antennes réceptrices, le nom des fichiers "Antenne" correspondants, la position des éléments rayonnants, leur orientation et la fréquence de travail. Il permet au simulateur de lire le fichier "Antenne" correspondant à l'élément rayonnant sur lequel on émet ou reçoit et de positionner l'antenne à la référence (Oxyz).
A partir des trois fichiers d'entrée, le premier programme produit un fichier intermédiaire contenant les valeurs de la matrice H.
Le modèle de propagation GRIMM
- Description
- Statistiques
Ce modèle permet d'obtenir toutes les caractéristiques des rayons issus des réflexions et des diffractions en un temps de calcul court grâce à un algorithme efficace. Afin de limiter le temps de calcul, nous allons optimiser les paramètres de simulation du faisceau (puissance, réflexions, diffractions) en fonction de leur convergence dans la dynamique choisie (30 et 40 dB). Par contre, si on se met dans la dynamique de 40 dB, on perd 20% des rayons avec le passage de 12 à 10 réflexions.
Les paramètres ont été optimisés (tableau 11) pour trouver un bon compromis entre le temps de calcul et la convergence des rayons dans une dynamique choisie.
Les modèles MASCARAA
- Les modèles géométriques reproductifs
- Les modèles à rayons
- Statistiques
Le modèle urban_high_spatial_select représente un cas typique de haute sélectivité spatiale à la station de base. La bibliothèque MASCARAA dispose également de fichiers de rayons dérivés de mesures d'un véhicule mobile et d'un réseau de stations de base à 2 GHz. Dans la première configuration (glob), la station de base est placée sur le toit du magasin Globe à Mulhouse.
Pour représenter la diversité de la situation, nous proposons donc d'introduire une rotation en azimut à la station de base (Figure 71).
Organigramme du simulateur de capacité
Après attribution du modèle, les éléments hi,j de la matrice de transmission du canal sont déterminés en fonction des antennes d'émission et de réception. La deuxième étape (demasc.c) est utilisée pour calculer le débit MIMO et évaluer leurs statistiques par rapport aux paramètres sélectionnés. Cette étape consiste à normaliser la matrice de transfert du canal (par rapport à une référence ou à un système, au choix), à calculer le produit de covariance, puis les performances courantes.
Deux fonctions sont disponibles qui permettent de calculer d'une part la capacité moyenne du canal en fonction du SNR et d'autre part la capacité cumulée à un SNR fixe en fonction du nombre de capteurs en émission et en réception.
Simulations de la capacité MIMO
Modèle i.i.d. de Rayleigh
Modèles à rayons GRIMM
Modèles tirés de mesures
La figure 77 présente les performances moyennes en fonction du SNR pour les modèles dérivés de la mesure (glob, litre et mon) et le modèle GRIMM. A SNR élevé, les modèles dérivés des mesures ont tendance à surestimer les performances par rapport au modèle GRIMM pour les systèmes 2x2. En effet, les modèles issus des mesures ne considèrent que l'amplification du faisceau dans le champ E et supposent que les distributions DOA sur le téléphone mobile sont uniformes.
La réponse impulsionnelle unique prise en compte par les modèles spatiaux, temporels et médians est caractéristique de certaines positions mobiles.
Conclusion
La figure 78 représente la capacité cumulée pour certains modèles de canaux : une forte sélectivité spatiale (spatiale), une forte sélectivité fréquentielle (temporelle) et une situation moyenne en termes de sélectivité spatiale et temporelle (médiane). Ce modèle est donc le modèle le plus précis dont nous disposions pour cette étude. Dans ce qui suit, la matrice de transfert de canal sera normalisée par rapport à un système de référence (1x1, Paestum isotrope) pour étudier l'influence des antennes.
Nous étudions d'abord l'influence des antennes mobiles et ensuite l'influence des antennes des stations de base.
Antenne du mobile
- Nombre d'antennes
- Orientation
- Directivité
- Conclusion
La courbe de capacité cumulée de la figure 80 a été obtenue pour différentes orientations du mobile autour de l'axe (Ox). La position horizontale montre la diversité des cartes selon les angles d'élévation et la position verticale selon les angles d'azimut. La figure 81 montre la capacité cumulée en fonction de l'orientation du mobile autour de l'axe (Oy).
La meilleure capacité est obtenue pour la position verticale et la position horizontale à -90° bien que les directions soient différentes.
Antenne de station de base
Nous avons également montré que la capacité peut être améliorée en utilisant des antennes à faible directivité, à rayonnement E prédominant et à diversité de motifs en fonction des angles d'élévation.
Conclusion
La figure 86 représente la capacité des systèmes 2x2 avec et sans perte pour un SNR=10 dB en fonction de la distance entre les éléments. A partir de d=7,5 mm les pertes sont inférieures à 10%, ce qui se traduit par une réduction de capacité inférieure à 30%. De plus, l'utilisation de la configuration orthogonale permet d'augmenter la capacité de 10% à 16% par rapport à la configuration parallèle.
Les performances dépendent directement du nombre, de la position et de la nature des obstacles. En dehors de la plage LOS, les variations de performances avec l'orientation de l'antenne sont similaires. 50% de capacité est inférieur à 0,7 bit/s/Hz dans le premier cas contre 5,2 bit/s/Hz dans le second cas.
