ITU-R RAPPORT M 2040 FRENCH-2004 Adaptive antennas concepts and key technical aspects《自适应天线的概念和关键技术环节》.pdf

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1、 Rap. UIT-R M.2040 1 RAPPORT UIT-R M.2040 Antennes adaptatives et principales caractristiques techniques (Question UIT-R 224/8) (2004) 1 Introduction Le prsent Rapport dfinit les principales notions lies aux antennes adaptatives et dcrit les caractristiques techniques de ces antennes. Dans lanalyse

2、et la conception des systmes hertziens, on a depuis toujours dissoci lexamen des systmes dantenne de celui dautres aspects essentiels comme: les problmes de propagation; les techniques de limitation des brouillages; lorganisation du systme (techniques daccs, commande de puissance, etc.); la modulati

3、on. Lutilisation dantennes adaptatives est tout indique dans une conception globale du systme, cest-dire lorsque toutes les composantes, y compris le systme dantenne, sont intgres de faon optimale, ce qui amliore sensiblement la couverture (zone de couverture plus grande, moins de trous dans la couv

4、erture) pour chaque cellule ainsi que la capacit du systme et permet de rduire considrablement les brouillages. Dans le prsent Rapport, on examine les diverses notions lies aux antennes adaptatives, ainsi que la notion de canaux spatiaux; les possibilits offertes par cette technologie sont analyses

5、thoriquement et les principales caractristiques sont dfinies. On trouvera lAnnexe 1 un glossaire de termes concernant les systmes dantennes adaptatives. 1.1 Recommandations connexes Les Recommandations suivantes de lUIT-R peuvent tre utiles en ce sens quelles concernent les systmes mobiles auxquels

6、les notions examines ici se rapportent plus ou moins directement: Recommandation UIT-R M.622: Caractristiques techniques et dexploitation de systmes cellulaires analogiques pour le service tlphonique public mobile terrestre Recommandation UIT-R M.1032: Caractristiques techniques et dexploitation des

7、 systmes mobiles terrestres faisant appel des techniques daccs multivoies sans unit dchange centrale Recommandation UIT-R M.1033: Caractristiques techniques et dexploitation des tlphones sans cordon et des systmes de tlcommunication sans cordon Recommandation UIT-R M.1073: Systmes mobiles terrestres

8、 cellulaires numriques de tlcommunication Recommandation UIT-R M.1074: Intgration des systmes de radiocommunication mobiles publics Recommandation UIT-R M.1221: Prescriptions techniques et oprationnelles applicables aux stations de radiocommunication mobiles multimode cellulaires 2 Rap. UIT-R M.2040

9、 Recommandation UIT-R M.1457: Spcifications dtailles des interfaces radiolectriques des tlcommunications mobiles internationales-2000 (IMT-2000) Recommandation UIT-R M.1678: Antennes adaptatives pour systmes mobiles Recommandation UIT-R SM.856: Nouvelles techniques et nouveaux systmes conomes de spe

10、ctre. 2 Antennes et antennes adaptatives 2.1 Antennes et couverture Les antennes adaptatives peuvent tre dfinies comme des antennes-rseaux avec traitement du signal qui peuvent modifier leur diagramme de rayonnement de faon dynamique pour sadapter au bruit, au brouillage et la propagation par trajet

11、s multiples. Elles sont utilises pour amliorer le rapport signal/bruit+brouillage (SINR) la rception et peuvent galement tre considres comme des antennes faisceaux models pour lmission. De mme, les systmes commutation de faisceaux utilisent un certain nombre de faisceaux fixes sur le site de lantenn

12、e. Le rcepteur slectionne le faisceau qui renforce le plus lintensit du signal et limite le plus les brouillages. Les systmes commutation de faisceaux ne peuvent pas tre aussi performants que les systmes adaptatifs mais ils sont beaucoup moins complexes et beaucoup plus faciles moderniser. Enfin, le

13、s antennes adaptatives sont dfinies comme des systmes qui peuvent associer des technologies dantennes adaptatives et des technologies de faisceaux commuts. Un glossaire de termes utiles relatifs aux antennes adaptatives est donn dans lAnnexe 1; dans le prsent paragraphe, la terminologie et son utili

14、sation gnrale sont examines plus avant. Le lecteur est mis en garde contre le fait quil peut y avoir certaines variations dans lutilisation de la terminologie: par exemple, on qualifie parfois les systmes non adaptatifs ou les systmes sans commutation de systmes intelligents, simplement parce quune

15、lectronique radiolectrique est fixe sur le mt dantenne, et souvent les expressions systmes adaptatifs et systmes formation de faisceaux sont utilises de faon lche ou troite. (Par exemple, la Recommandation UIT-R SM 856, qui, semble-t-il, est la seule autre Recommandation de lUIT-R o lon parle danten

16、nes adaptatives, utilise le terme adaptatif correctement mais donne brivement un exemple o ce terme tait utilis de faon trs troite et trs spcifique pour un ancien systme en ondes mtriques.) Par ailleurs, il faut faire attention lorsque le terme adaptatif est utilis pour les systmes mobiles terrestre

17、s, sans autre qualificatif, par exemple lorsquil est appliqu au contrle dynamique de la modulation, des ressources de largeur de bande, du codage, de la puissance ou dautres attributs de protocole dune interface radiolectrique. Adaptes des environnements RF simples o lon ne connat pas prcisment lemp

18、lacement de lutilisateur, les antennes quidirectives diffusent les signaux et une fraction minime seulement de lnergie globale rayonne est utilise pour atteindre les utilisateurs (ou inversement, pour les missions depuis lutilisateur vers la station de base). Compte tenu de cette limitation, on essa

19、ie avec les antennes quidirectives de surmonter les problmes de propagation en augmentant simplement lintensit des signaux. Dans des configurations o les utilisateurs (et par consquent les brouilleurs) sont nombreux et relativement proches les uns des autres, les choses saggravent, en ce sens que la

20、 plus grosse partie de lnergie du signal RF devient une source de brouillage potentielle pour dautres utilisateurs de la mme cellule ou de cellules adjacentes et le volume dinformation achemin par la liaison naugmente pas. Rap. UIT-R M.2040 3 En liaison montante (utilisateur vers station de base), l

21、es antennes quidirectives napportent aucun avantage de gain pour les signaux des utilisateurs desservis et limitent la porte des systmes. Dans cette mthode non globale il ny a pas non plus de possibilit de limitation de la propagation par trajets multiples. Par consquent, les antennes quidirectives

22、ont une incidence directe et ngative sur lefficacit spectrale et limitent la rutilisation des frquences. Une simple antenne peut galement tre conue de faon avoir certains sens dmission et de rception prfrentiels: aujourdhui de nombreux systmes dantenne classiques subdivisent ou sectorisent les cellu

23、les. Avec les systmes dantennes sectorielles, la zone couverte par une cellule classique est subdivise en secteurs qui sont desservis par plusieurs antennes directives situes sur le site de la station de base. Du point de vue de lexploitation, chaque secteur est trait comme une cellule diffrente. Le

24、s antennes directives ont un gain plus lev que les antennes quidirectives, toutes choses tant gales par ailleurs; les secteurs desservis par ces antennes sont donc plus tendus que ceux desservis par une antenne quidirective. Cette sectorisation en cellules permet damliorer la rutilisation des canaux

25、 en limitant le brouillage caus par la station de base et ses utilisateurs au reste du rseau et on utilise beaucoup ce type de cellules cette fin. Pour les services commerciaux, on a utilis jusqu six secteurs par cellule. 2.2 Systmes dantennes adaptatives et systmes diversit Dans ce contexte, il est

26、 important de comprendre ce que lon entend par diversit. Comme la indiqu Winters 1, les trois principaux handicaps des systmes hertziens cellulaires peuvent tre regroups en trois catgories, savoir les vanouissements dus la propagation par trajets multiples, ltalement du temps de propagation et le br

27、ouillage dans le mme canal. Comme on lexpliquera plus loin, lutilisation dantennes multiples, M, en nombre, permet gnralement daugmenter le gain de M et, en outre, dassurer une diversit de gain pour lutter contre les vanouissements dus la propagation par trajets multiples. Le gain M peut tre assimil

28、 la rduction de puissance requise la rception pour un rapport S/N en sortie moyen donn (indpendamment de lenvironnement) alors que la composante gain de diversit (uniquement prsente lorsque la propagation par trajets multiples est vidente) est la rduction du rapport S/N moyen en sortie requis pour u

29、n taux derreur donn en prsence dvanouissements. Ainsi, les systmes dantenne diversit spatiale intgrent deux ou plus de deux lments dantenne dont lespacement physique est utilis pour lutter contre les effets ngatifs de la propagation par trajets multiples. La diversit amliore la puissance effective d

30、u signal reu si on utilise lune des deux mthodes suivantes: La diversit avec commutation: en supposant que lemplacement dune antenne au moins sera favorable un moment donn, le systme passe en permanence dune antenne lautre (connectant chacun des canaux de rception lantenne la mieux situe) pour chois

31、ir lantenne pour laquelle lnergie du signal est maximale. La technique de diversit avec commutation rduit lvanouissement du signal, mais naugmente pas le gain tant donn quon utilise une seule antenne un moment donn pas plus quelle ne limite les brouillages. La combinaison en diversit: les signaux pr

32、ovenant de chaque antenne sont combins de faon cohrente pour produire un gain. Dans les systmes combinaison maximale des rapports, les signaux de sortie de toutes les antennes sont combins afin doptimiser le rapport nergie du signal reu combin/bruit. 4 Rap. UIT-R M.2040 Contrairement aux systmes div

33、ersit avec commutation, la combinaison en diversit utilise tout moment, pour chaque utilisateur, tous les lments dantenne pour crer un diagramme de rayonnement dantenne quivalent qui sadapte de faon dynamique lenvironnement de propagation. Il nest toutefois pas assur que cette mthode maximise le gai

34、n pour tel ou tel utilisateur. Etant donn que les algorithmes qui dterminent la stratgie de combinaison sefforcent de maximiser lnergie totale du signal et non celle dun utilisateur particulier, le diagramme dantenne quivalent peut en fait fournir un gain de crte des lments rayonnants autres que lut

35、ilisateur dsir (utilisateurs cocanal dans dautres cellules, par exemple). Cela est particulirement vrai en prsence de brouillages importants qui caractrisent les systmes cellulaires forte charge de trafic. 2.3 Systmes dantenne et brouillage Des systmes dantenne plus sophistiqus peuvent attnuer lautr

36、e handicap des systmes hertziens cellulaires, savoir le brouillage cocanal. Pour lmission, lobjectif est de concentrer la puissance RF vers chaque utilisateur dun canal radiolectrique uniquement lorsque cela est ncessaire, limitant ainsi les brouillages causs dautres utilisateurs dans des cellules a

37、djacentes. Pour la rception, le but est de fournir un gain de crte dans la direction de lutilisateur dsir tout en limitant la sensibilit aux brouillages dans la direction des autres utilisateurs du mme canal. Cela suppose lutilisation dun systme dantenne disposant de fonctions dorientation de faisce

38、au instantanes. Pour ce faire, on peut utiliser la technique des antennes-rseaux commande de phase, en particulier les techniques numriques de formation de faisceaux. Par ailleurs, lutilisation dun grand nombre dlments dantenne simples confre une nouvelle dimension au traitement de la diversit. 2.4

39、Systmes dantenne intelligents Larrive de processeurs de signaux numriques puissants et peu coteux, de processeurs polyvalents et de circuits ASIC et ainsi que la mise au point de techniques de traitement du signal dfinies par logiciel ont fait des systmes dantenne adaptatifs volus une ralit concrte

40、pour les systmes cellulaires. Lutilisation dantennes-rseaux conjugue aux techniques numriques de formation de faisceaux et un traitement du signal en bande de base volu peu coteux ouvre des nouvelles perspectives prometteuses pour lamlioration des systmes de communication hertziens. On trouvera au 1

41、2 des documents de rfrence utiles sur les antennes adaptatives. Un systme dantenne adaptatif se compose essentiellement dun rseau dlments dantenne (gnralement entre 4 et 12) dont les sorties sont combines pour assurer une commande adaptative de lmission et de la rception du signal. Les configuration

42、s des lments dantenne peuvent tre linaires, circulaires, planes ou alatoires. Ces lments sont le plus souvent installs sur le site de la station de base mme sils peuvent galement tre mis en oeuvre dans le terminal mobile. Lorsquune antenne adaptative oriente son lobe principal un gain amlior dans un

43、e direction particulire pour desservir un utilisateur, les lobes latraux et les zros (directions de gain minimal) du systme dantenne pointent dans des directions variables par rapport au centre du lobe principal. Diffrents systmes dantennes intelligentes adaptatives ou commutation de faisceaux perme

44、ttent dagir sur les lobes et les zros avec plus ou moins de prcision et de souplesse. Cela a des consquences directes sur les performances des systmes. Rap. UIT-R M.2040 5 2.4.1 Antennes commutation de faisceaux Les systmes dantenne commutation de faisceaux forment plusieurs faisceaux fixes ayant un

45、e sensibilit accrue dans telle ou telle direction. Ces systmes dantenne mesurent lintensit du signal en choisissant un faisceau parmi plusieurs faisceaux fixes pralablement dtermins, partir de combinaisons pondres des signaux de sortie dantenne prsentant la plus forte puissance dans le canal de luti

46、lisateur distant et en passant dun faisceau un autre au fur et mesure que le mobile se dplace dans le secteur. Ces choix sont dtermins par des techniques de traitement numrique du signal en bande de base ou du signal RF. Les systmes commutation de faisceaux peuvent tre considrs comme des systmes mic

47、rosectorisation. 2.4.2 Antennes-rseaux adaptatives La technologie des antennes adaptatives constitue la mthode la plus volue ce jour pour amliorer sensiblement lefficacit spectrale. En utilisant divers algorithmes de traitement du signal, un systme adaptatif identifie et suit tous les signaux et brouilleurs pris en considration afin de minimiser dynamiquement les brouillages et de maximiser la rception des signaux utiles. Tout comme un systme commutation de faisceaux, un systme adaptatif tentera daugmenter le gain du signal dutilisateur reu dans les diffrents