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Conception et caractérisation d'antennes pour des systèmes MIMO

Yann Mahé (1) , Julien Sarrazin (1) , Serge Toutain (1) , Laurent Cirio (2) , Benoît Poussot (2) , Jean-Marc Laheurte (2) , A. Diallo (3) , C. Luxey (3) , P. Le Thuc (3) , R. Staraj (3) (1) IREENA, Polytech.Nantes (2) ESYCOM, Université de Paris-Est, Marne-La-Vallée

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Conception et caractérisation d'antennes pour des systèmes MIMO

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Presentation Transcript

  1. Yann Mahé (1), Julien Sarrazin (1), Serge Toutain(1), Laurent Cirio(2) , Benoît Poussot (2), Jean-Marc Laheurte(2), A. Diallo(3), C. Luxey(3), P. Le Thuc(3), R. Staraj(3) (1) IREENA, Polytech.Nantes (2) ESYCOM, Université de Paris-Est, Marne-La-Vallée (3) LEAT, Université de Nice-Sophia Antipolis Conception et caractérisation d'antennes pour des systèmes MIMO

  2. Plan de l’exposé • Principes de base sur la diversité d’antennes et le MIMO • Le MIMO ou la fin des antennistes? • Reconfiguration d’antennes en diagramme et polarisation • Amélioration du couplage entre antennes

  3. Contexte (1) • Besoins de plus de débit : Internet, HDTV, téléphonie mobile • Démocratisation des réseaux locaux sans fil (WIFI, WLAN, HIPERLAN, WIMAX) • Développement de réseaux sans fil à plus grande échelle (MAN : Métropolitain Area Network)

  4. MIMO (Multiple Input Multiple Output) : utilisation de plusieurs antennes à l’émission et à la réception afin de créer de la diversité Contexte (2) • Communications urbaines ou indoor • Trajets multiples • Les systèmes MIMO augmentent le débit des communications en tirant profit de des multi-trajets sans nécessiter plus de bande passante

  5. Réseaux d’antennes à formation de faisceaux ou à réjection d’interférences: adaptés à des milieux LOS (Line of sight) ou proches • Antenne directive peu pertinente en NLOS (indépendance statistique des signaux reçus) • Auto-ajustement contraintes en vitesse de commutation  information sur l’angle d’arrivée trop coûteuse Antennes de réception « intelligentes »

  6. Diversité d’antennes et antennes MIMO (dumb antennas) • Diversité d’antennes: Récepteur multi-antennes (« Réseau ») + utilisation de techniques de combinaison des signaux reçus par chaque antenne  défense contre les multi-trajets (années 60) • MIMO: exploitation des multi trajets  création de plusieurs canaux indépendants dans une même bande de fréquence avec des réseaux d’antennes en émission et en réception (1996: démonstrateur BLAST des Bell Labs)

  7. SISO (Single Input Single Output) y1 x1 h • CSISO: Capacité ergodique (moyenne) • r: RSB moyen sur l’antenne de réception • h: gain complexe normalisé associé au canal de propagation, incluant les caractéristiques des évanouissements et de l’antenne (diagramme, polarisation,.)

  8. Augmentation du RSB : meilleure robustesse de la liaison, possibilité de forts taux de modulation,… La capacité du système augmente comme le logarithme de M SIMO (Single Input Multiple Output) Diversité simple y1 RX x1 h1 h2 • Sélection du signal au plus fort RSB • Recombinaison des signaux (EG, MRC…) y2 hM yM h=[h1, h2,…, hM]

  9. x1 y1 h11 x2 h21 h31 y2 x3 y3 h33 MIMO: Multiplexage spatial TX RX • Données divisées en N sous-séquences • Envoyées en parallèle • Débit initial et occupation spectrale divisés par N • Algorithme VBLAST… Connaissance de Y + estimation des coefficients hMN = détermination de X (Hypothèses: modèle d’évanouissement Rayleigh, canaux non sélectifs en fréquence,..)

  10. é ù æ ö r ç ÷ = + H C log det I HH ê ú ç ÷ 2 N è ø ë û T Capacité du MIMO (Multiplexage spatial ) • Capacité de canal (bp/s/Hz) Performances liées à la corrélation entre les trajets représentés par les coefficients hij de la matrice H • Cas optimal (corrélation nulle entre trajets)  N liaisons indépendantes N liaisons indépendantes • A puissance d’émission égale, la capacité augmente linéairement avec min(M,N). Pour N grand, C=Nlog2(1+r)

  11. canal de Rayleigh Capacité SISO, SIMO, MIMO • SISO: augmentation lente: 3 dB de plus sur RSB augmente CSISO de 1bit/s/Hz • Comparaison SIMO et MIMO avec N identique. SIMO (1,3) et MIMO (2,2) SIMO (1,5) et MIMO (3,3) • Faibles RSB, CSIMO>CMIMO • Forts RSB (30dB). CMIMO (3,3) ~ 2CSIMO (1,5) • Si N, croisement entre les courbes CMIMO et CSIMO pour les faibles RSB • CSIMO (1,3) et (1,5): pente identique  N • CMIMO(2,2) et (3,3) pente  en fonction de N Dietrich, AP Magazine Oct 2000

  12. Evanouissements rapides et lents • r(t): signal instantané • m(t): évanouissements lents (ou moyenne) • f(t): évanouissements rapides (modèle Rayleigh) • r(t)=m(t).f(t) • Diversité/MIMO luttent contre les évanouissements rapides

  13. Ericsson T65 A quoi sert l’antenniste? Challenge : Co-localisation de plusieurs antennes éventuellement multi-bandes sur le PCB d'un seul objet communicant de petite taille • Amélioration de l’efficacité des antennes • Meilleure efficacité des antennes miniatures • Forte isolation entre antennes ou accès

  14. A quoi sert l’antenniste? • Antennes reconfigurables(diversité de polarisation ou de diagramme) • Directions d’arrivée uniformément réparties en théorie, clusters de rayons en pratique • Minimum d’intelligence au niveau de l’antenne peut améliorer le RSB et la corrélation

  15. Trajet 1 Trajet 2 Diversité d’espace • Objectif : fournir plusieurs copies différentes (ou décorrélées) du signal transmis et les combiner judicieusement afin d’augmenter la capacité • Cette décorrélation est introduite en écartant les antennes à l’émission et à la réception (l/2 suffisant en milieu riche en multi-trajets)

  16. Diversité de polarisation dépolarisation Diversité de diagramme Trajet 1 Trajet 2 polarisation V polarisation H • Antennes co-localisées Encombrement réduit • Décorrélation des signaux reçus

  17. MIMO adaptatif Trajet 1 Trajet 2 • Diversité adaptative (typiquement : diversité d’espace + rayonnement reconfigurable) • La reconfiguration de diagramme augmente l’apport en diversité des antennes en tenant compte du canal de propagation • RSB & décorrélation des signaux reçus optimisés au cours du temps

  18. MIMO adaptatif basé sur une cavité métallique cubique à 3 fentes commutables (IREENA) • Fentes court-circuitées  modification du diagramme de rayonnement • 3 configurations de rayonnement • 3 polarisations orthogonales pour lutter contre les évanouissements (fading) • 5.2 GHz

  19. Diagramme Eq et Ef pour la configuration 1 Gφ Gθ simulation mesure Configuration 1

  20. Diagramme Eq et Ef pour la configuration 2 Gφ Gθ simulation mesure Configuration 2

  21. Diagramme Eq et Ef pour la configuration 3 Gφ Gθ simulation mesure Configuration 3

  22. Antenne 1 Antenne 2 d = 60mm Application aux systèmes MIMO adaptatifs 32 configurations de rayonnement possibles Antenne 1 : 3 diagrammes de rayonnement disponibles Antenne 2 : 3 diagrammes de rayonnement disponibles

  23. r r ( ) ( ) ( ) q f = q f + q f Champ complexe électrique émis par l’antenne suivant θ et Φ E , E , u E , u Distribution des angles d’arrivées (AoA) q q f f Densité de puissance reçu suivant Φ Densité de puissance reçu suivant θ = Coefficient de cross-polarisation (XPD) Corrélation d’enveloppe

  24. configuration 1 & 1 configuration 1 & 2 0.12 configuration 3 & 2 0.1 0.08 e r 0.06 0.04 0.02 0 0 50 100 150 200 250 300 350 MIMO adaptatif : choix de la configuration de rayonnement offrant le plus de diversité en fonction de l’évolution du canal f (°) i Corrélation d’enveloppe en fonction de l’angle d’incidence de la direction moyenne d’arrivée des signaux Distribution gaussienne ( σ=20°) XPD = 20dB

  25. Pin diodes SPDT Antenne commutable en polarisation et diagramme (ESYCOM) • • Antenne à un seul accès fonctionnant à 5.8 GHz • • Diversité en polarisation: V et H (3 SPDTs) • • Diversité en diagramme: 4 diagrammes (2 diodes par stub) • • Total de 8 canaux distincts • • Selection combining

  26. b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 b8 Diagrammes de rayonnement Polarisation verticale Polarisation horizontale

  27. Banc de mesure • • Emetteur mobile en rotation et translation • • Monopole vertical en émission • • Récepteur fixe • • 30000 échantillons par canal

  28. Combinaison de 4 branches Mesures en diversité Combinaison de 8 branches DG DG Polarisation verticale Polarisation horizontale • DG: Amélioration du RSB d’un capteur multi antennes par rapport à une antenne seule • 4 branches (2 diagrammes + 2 polarisations): meilleur compromis complexité antenne / DG • Orientation diagonale de l’antenne: DG=12.9 dB avec 4 branches

  29. S21=-5 dB Système à 2 PIFAs couplées (LEAT) UMTS Port 1 2 PIFAs très proches (0.12λ0 ) opérant dans la bande UMTS UMTS Port 2

  30. Amélioration min. : 15 dB ligne 18x0.8mm2 Technique de neutralisation: languettes d'alimentation reliées

  31. Amélioration : 17%/20% Sans ligne Avec ligne Sim. Mes. Sans ligne 81 % 80 % Avec ligne 98 % 94 % Technique de neutralisation: efficacité totale et corrélation

  32. Mesure de capacité en chambre réverbérante Chambre Réverbérante 0.8m x 1m x1.6m Tête de fantôme Chambre réverbérante assimilée à un environnement isotrope Performances MIMO caractérisées avec 3 dipoles d’émission XYZ

  33. Evaluation des performances MIMO du système à 2 antennes en chambre réverbérante SNR=10dB Capacité augmente de 8.3 à 9.1bits/s/Hz (de 12 à 13 pour 4 éléments)

  34. Conclusion • Diversité d’antennes et MIMO améliorent significativement la capacité des liaisons riches en multitrajet (Merci aux traiteurs de signaux!) mais augmentent la consommation et la complexité des systèmes • L’antenniste peut apporter sa contribution: • • en miniaturisant les terminaux (co-localisation) • • en limitant les couplages entre antennes • • en optimisant l’efficacité • • en reconfigurant sans pertes l’antenne (ok si peu de multitrajets) • L’antenniste doit repenser ses (réseaux d’)antennes en terme de corrélation, gain en diversité, RSB, capacité de canal et taux d’erreur binaire etc… et les évaluer (les comparer) dans le système complet avec des scenarii variables.

  35. WIFIMAX et WIFI • 802.11.G capacité annoncée 11 Mbits/s à 50m • 802.11.N MIMO+OFDM 100 Mbits/s à 90 m (3 x3 antennes) • BP réel << BP annoncée • Futur du MIMO: virtual antenna arrays + UWB • WIMAX 802.16: transmission utilise le beamforming, quelques kms de portée • Technologies wideband: égalisation, OFDM, DS-CDMA

  36. Couplage et Corrélation Accès 2 en circuit ouvert Accès 2 adapté

  37. 1.5dB Gain en diversité en fonction de la corrélation pour un récepteur à 2 branches Une corrélation assez importante (r<0.7) peut être tolérée sans trop sacrifier de gain en diversité

  38. Amélioration du SNR moyen en fonction du nombre de canauxpour différentes méthodes de combinaison

  39. Fonction de répartition combinée par « selection combining » pour différents nombres de canaux

  40. Capacité SISO, MISO, SIMO, MIMO Dietrich, AP Magazine Oct 2000

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