Généralité sur la transmission sans fil

La communication sans fil constitue un domaine très évolutif dans les systèmes de communication. Cette évolution constante des technologies sans fil change considérablement le cours de vie des humains, leurs travaux et leurs distractions. La prolifération des petits objets communicants sans fil fait de cette technologie une partie intégrante de la vie quotidienne. Le succès obtenu au niveau du grand public peut se comprendre, par comparaison avec la communication filaire, par la mobilité offerte et la disposition d’une connectivité commode. En plus, les réseaux sans fil sont généralement faciles à déployer et permettent de relier des utilisateurs se trouvant dans des zones difficiles d’accès. Ainsi, émetteurs et récepteurs dans ces réseaux sont reliés par un médium de transmission dénommé le canal radio. Cependant, il y a deux aspects fondamentaux des communications sans fil qui font de ces systèmes un problème intéressant et de challenge : le phénomène d’évanouissement et les interférences. Ces phénomènes dégradent généralement la qualité et le débit des systèmes de communication sans fil. Ainsi pour lutter contre les effets négatifs de ces phénomènes, les techniques de diversité d’antennes peuvent-être utilisées pour améliorer les performances des systèmes de communication sans fil. I.2 Les mécanismes de propagation La propagation de l’onde peut se faire en espace libre ou hors espace libre.

En espace libre, l’onde se propage en trajet direct et cette propagation suit la loi de FRIIS (appelée aussi équation des télécommunications). 􀀁􀀂􀀃􀀁􀀄􀀅􀀄􀀅􀀂( 􀀇 4􀀉􀀊 )􀀌( I. 1) Où 􀀁􀀄 et 􀀁􀀂 sont respectivement les puissances émises et reçues, 􀀅􀀄 et 􀀅􀀂 sont les gains de l’émetteur et du récepteur dans la direction de propagation, d la distance séparant l’émetteur et le récepteur et λ la longueur d’onde. Hors espace libre, les mécanismes de propagation les plus importants observés sont la réflexion, la réfraction, la diffraction et la diffusion. Ces phénomènes, dus à des obstacles dans le milieu de propagation, peuvent provoquer des changements d’amplitude, de phase et de direction de propagation de l’onde. Ces phénomènes dépendent aussi de la taille de l’obstacle par rapport à la longueur d’onde. Ils peuvent être décrits en termes de combinaison de mécanisme simple opérant sur des ondes planes [1]. Ils sont décrits ci-après et sont illustrés dans la Figure I.1. • Réflexion et Réfraction Ces deux phénomènes apparaissent lorsque la taille de l’obstacle est grande comparée à la longueur d’onde et que l’obstacle a de petites irrégularités . Ils interviennent lorsque les ondes rencontrent une surface séparant deux milieux de perméabilités et de permittivités différentes. La réflexion de l’onde arrive lorsque l’onde rencontre une surface plate.

La partie de l’onde renvoyée dans une direction privilégiée dans le même milieu que l’onde incidente est l’onde réfléchie. Le coefficient de réflexion est défini comme le rapport de l’amplitude de l’onde réfléchie par celle de l’onde incidente. La partie de l’onde incidente transmise dans l’autre milieu avec une autre direction résulte du mécanisme de réfraction et elle constitue l’onde réfractée. Ce phénomène de réfraction est spécialement important pour la propagation à l’intérieur des bâtiments. La somme des ondes réfléchies et réfractées est différente de l’onde incidente car les multiples réflexions causent des atténuations à cause des pertes [1]. • Diffusion La diffusion est similaire à la réflexion mais elle est le mécanisme qui surgit quand la surface n’est pas lisse. C’est un phénomène très important pour les communications sans fil. Les obstacles doivent avoir des dimensions du même ordre de grandeur ou inférieures à la longueur d’onde. L’onde réfléchie devient dispersée sur un grand nombre de points de cette surface. Ceci réduit l’énergie dans la direction spéculaire et augmente l’énergie émise dans d’autres directions. Le degré de dispersion dépend de l’angle d’incidence aussi bien que de la nature de la surface en comparaison à la longueur d’onde. La position de l’obstacle par rapport à l’émetteur et au récepteur a une influence et permet de définir deux types de diffuseurs : les diffuseurs locaux et les diffuseurs lointains [1].

Antennes intelligentes dans les systèmes de communication mobile

Les systèmes de télécommunications moderne sans fils sont constitue de trois éléments : les postes mobiles, la station de base et le milieu de propagation. La répartition spatiale de l’énergie rayonnée par l’antenne de la station de base est habituellement fixée à la fabrication et ne peut pas être modifiée en cours d’utilisation. Ceci entraîne de nombreux inconvénients comme la limitation du nombre d’utilisateurs, la qualité des communications et la restriction de la portée de la station de base. Une station de base équipée d’une antenne dont nous pouvons adapter la répartition de l’énergie rayonnée en fonction des besoins de l’environnement peut palier à la plupart de ces limitations [14]. Cette antenne est plus communément appelée « antenne intelligente », basées sur des réseaux d’antennes (linéaire, planaire, circulaire…..), peuvent combiner de manière dynamique les différents signaux et optimiser les bilans de liaison. L’antenne intelligente peut être orienté dans des directions privilégiées pour suivre un mobile tout au long de la communication, Deux catégories d’antennes intelligentes existent : les antennes à commutation de faisceaux et les antennes adaptatives [15]. L’objectif de ce chapitre est de présenter en détails les concepts liés aux systèmes d’antennes intelligentes. Un survol sur le mode de fonctionnement ainsi, les concepts liés aux systèmes des communications mobiles des antennes intelligentes dans le but de faire une projection sur l’objectif de travail menées au cours de notre mémoire [16].

• Antennes réseaux Un réseau d’antennes est un ensemble d’antennes séparées et alimentées de façon synchrone. C’est-à-dire que le déphasage du courant entre chaque paire d’antennes est fixe. Nous verrons plus loin qu’un réseau peut comporter des éléments non alimentés directement par une source (éléments parasites) mais qui sont alimentés par le champ produit par le reste des éléments (c’est le cas des antennes Yagi-Uda). Le champ électromagnétique produit par un réseau d’antennes est la somme vectorielle des champs produits par chacun des éléments. En choisissant convenablement l’espacement entre les éléments et la phase du courant qui circule dans chacun, on peut modifier la directivité du réseau grâce à l’interférence constructive dans certaines directions et à l’interférence destructive dans d’autres directions. [17]. Les antennes réseaux peuvent avoir différentes géométries: réseaux linéaires, réseaux planaires et réseaux circulaires [18]. Ce qui nous intéresse dans notre étude c’est les réseaux d’antennes linéaires.

Technologie MIMO

Les systèmes de communication sans fil traditionnels sont basés sur l’utilisation d’une seule antenne à l’émission et une seul antenne à la réception. Ces systèmes sont généralement désignés par des systèmes SISO. Cette architecture présente des limites de capacité. Les futurs systèmes de communication sans fil exigent un taux de transmission assez élevé et un coût réduit par bit transmis par rapport aux systèmes traditionnels SISO. Ces exigences sur les taux de transmission et la qualité de service ne peuvent être atteints avec les systèmes conventionnels à une seule antenne SISO. Par conséquent plusieurs antennes doivent être utilisées à l’émission et à la réception d’où l’appellation des systèmes MIMO (Multi input multi output) qui fut découverte en 1996 par les chercheurs de Bell Labs reste la plus prometteuse, elle peut augmenter d’une manière substantielle l’efficacité spectrale. Les techniques MIMO utilisées dans des environnements riches en diffuseurs permettent d’améliorer la robustesse et la capacité utile du système comparé aux systèmes SISO. Elles s’imposent aujourd’hui comme les technologies les plus aptes à répondre aux exigences des communications radio-mobiles. L’adoption des techniques MIMO dans les transmissions sans fil, est envisagée d’avoir un impact important sur l’optimisation de la qualité de services fournit par les réseaux sans fil [28] [29].

Présentation des systèmes multi-antenne Les communications sur le canal radio-mobile se sont fortement développées ces dernières années, aussi bien en termes de nombre d’utilisateurs que de débit par utilisateur. Dès lors, il existe une forte demande pour augmenter l’efficacité spectrale de ces communications. D’un autre côté, les transmissions via le canal radio mobile sont fortement pénalisées par les évanouissements du signal, dus à la fois aux trajets multiples et aux interférences entre symboles. Pour pallier ces deux inconvénients, une solution est étudiée depuis quelques années. Il s’agit d’une architecture de transmission basée sur l’utilisation de plusieurs antennes à l’émission et à la réception. Ces architectures, dites MIMO (Multiple Input Multiple Output), ont été développées par les laboratoires Bell en 1997. Elles permettent d’atteindre à la fois de très hautes efficacités spectrales et de lutter efficacement contre les évanouissements du signal. L’idée générale est de tirer profit de la dimension spatiale du canal et d’exploiter les trajets multiples plutôt que de les supprimer.