Comment ca marche :

Pour comprendre comment fonctionne la technologie MIMO qui permet d’améliorer les performances des réseaux sans fil, et d’où elle tire la plupart de ses avantages, nous allons décrire brièvement son principe de fonctionnement. Le MIMO permet d’envoyer plusieurs signaux différents sur des antennes différentes à des fréquences proches pour augmenter le débit ou la portée du réseau. Sa particularité passe donc par l’utilisation simultanée de plusieurs antennes, émettrices et réceptrices. Ainsi il permet d’améliorer les performances des appareils, qui aujourd’hui connaissent des problèmes liés à la nature des ondes et à leur comportement suivant l’environnement, ce qui diminue la qualité de transmission et donc le débit ainsi que la portée. C’est donc en palliant à ces problèmes que le MIMO se place en tête des technologies d’avenir pour les communications mobiles, et plus précisaient la technologie WiFi (Wireless Fidelity). Comme d’autres systèmes de communication sans fil, le Wi-Fi utilise des ondes radio pour transmettre des informations.

Le problème, c’est que ces signaux se dégradent avec la distance et avec les obstacles, limitant ainsi la portée et le débit de la liaison. D’où les piètres performances des déclinaisons actuelles du Wi-Fi (les normes 802.11b et 802.11g), notamment en intérieur, entre différentes pièces d’un bâtiment. C’est justement pour améliorer les performances de ces liaisons sans fil que des fabricants spécialisés (Linksys, Netgear, Belkin ou D-Link, par exemple) exploitent depuis quelque temps dans leurs produits Wi-Fi une nouvelle technique baptisée MIMO. Le principe du MIMO (Multiple Input, Multiple Output, soit multiples entrées, multiples sorties) est simple : il consiste à multiplier les signaux pour transmettre une même information. Peu importe que les ondes radio se dégradent avec la distance ou à cause des obstacles : les paquets de données qu’elles véhiculent sont réorganisés à l’arrivée pour reconstituer l’information d’origine. Pour multiplier les signaux, les produits estampillés MIMO utilisent ainsi plusieurs antennes (jusqu’à huit). Mais ces antennes ne fonctionnent pas toutes de la même manière. De fait, deux méthodes coexistent actuellement, chacune défendue par un constructeur de circuit Wi-Fi (Airgo et Atheros).

Diversité spatiale : Le mécanisme le plus connu et probablement le plus simple pour réaliser la diversité est la diversité spatiale. En utilisant des antennes ayant des diagrammes de rayonnement identiques mais suffisamment espacées, la différence de phase fait que les signaux arrivant sur les antennes réceptrices ont peu de chance de s’évanouir en même temps. Il est possible d’utiliser des antennes multiples à l’émission, à la réception ou à la fois à l’émetteur et au récepteur. Les systèmes exploitant la diversité spatiale en réception sont appelés système SIMO (“ Single-Input Multiple-Output ”). Les systèmes exploitant la diversité spatiale en émission sont appelés système MISO (“ Multiple-Input Single-Output ”). La troisième structure est l’utilisation de la diversité spatiale à la fois à l’émission et la réception nommé système MIMO (“ Multiple-Input Multiple-Output ”). Les systèmes MIMO nous permettent non seulement de réduire l’effet d’évanouissement mais d’atteindre aussi les bornes de capacité largement supérieures à celles données par d’autres structures. L’inconvénient majeur de la diversité spatiale est l’encombrement car en théorie les antennes doivent être espacées d’au moins 0,5 λ pour que les signaux puissent être indépendants l’un de l’autre. Cependant, lorsque l’espacement entre les antennes est trop petit, d’autres mécanismes de diversité peuvent intervenir.

La Technique de modulation : La modulation est le processus par lequel une onde porteuse peut porter le message ou le signal numérique (série de uns et de zéros). Il y a trois méthodes de base à ceci: décalage d’amplitude((ASK : Amplitude Shift Keying), de fréquence (FSK : Frequency Shift Keying) et de phase (PSK : Phase Shift Keying), Les modulations ASK et PSK[10] peuvent être combinées pour créer la modulation d’amplitude en quadrature (QAM : Quadrature Amplitude Modulation) qu’on vas travaillez par la suit avec la 4-QAM et la 16- QAM (figure II-6). Le choix de la modulation s’effectue en fonction de la qualité du signal et du débit souhaités. Dans le standard, deux stratégies de codage des constellations des modulations sont proposées : le codage de Gray et le codage dit « pragmatic ». L’intérêt des déférents codages de constellation pour une même modulation (appelé aussi par le terme anglophone mapping) est d’adapter celle-ci au canal de transmission et aux traitements en réception de façon maximaliser les distances entre symboles pour une meilleure détection. Cette méthode permet également d’augmenter la quantité d’information contenue dans chaque symbole .

Nous avons essayé dans ce chapitre de proposer une vue d’ensemble du domaine, nous avons présenté le codage spatio-temporel (CST) permet des communications plus sûres, il consiste à ajouter de la redondance aux données binaires émises afin d’augmenter la diversité spatiale et éviter les évanouissements propres au canal MIMO. En nous attardant principalement sur les différents types d’architectures et les différents types de codage les codes spatio-temporels en treillis (STT) et les codes spatio-temporel en bloc (STB). Nous nous somme focalisé sur le code Alamouti. Afin d’améliorer la qualité de la transmission, Alamouti [7] et Tarokh [6] ont conçu des systèmes basés essentiellement sur la diversité, proposant un codage et un étiquetage conjoints. Les antennes réceptrices reçoivent un mélange des contributions de toutes les antennes émettrices. Nous avons donc présenté plusieurs algorithmes, linéaires ou non, permettant de séparer les signaux et de retrouver l’information initiale. Les critères basés sur le forçage à zéro et la minimisation de l’erreur quadratique moyenne ont été passés en revue, avant d’aborder l’algorithme optimal basé sur le maximum de vraisemblance. Pour l’instant, nous allons intéresser dans le prochain chapitre aux systèmes en couches qui présentent l’avantage d’augmenter l’efficacité spectrale.

Techniques du Multiplexage Spatial 40Les systèmes de communication sans fil d’aujourd’hui exigent des débits élevés et faibles taux d’erreur binaire, BLAST (Bell LabsLayeredSpace-Time) est un système de communication MIMO, qui permet à plusieurs symboles à transmettre en même temps au sein de la même fréquence. Ainsi, en utilisant l’architecture BLAST, un débit de données élevé peut être atteint et améliore l’efficacité spectrale. Dans l’architecture BLAST, les caractéristiques de diffusion augmentent la précision de transmission en tenant compte de plusieurs chemins de diffusion comme distinct sous-canaux parallèles [27]. Ce chapitre porte sur quatre différents algorithmes BLAST à savoir D-BLAST (BLAST diagonale), H-BLAST (BLAST horizontal), Turbo-BLAST, et on se concentre sur V-BLAST (BLAST verticale), et ils ont été proposés par Foschini [23]. D-BLAST est la première architecture de ce système [22], D-BLAST est l’une des approches pour augmenter le débit de données et la capacité du système, et a une complexité des calculs [28]. Par la suite Foschini et Wolniansky [32] proposent deux schémas de codage plus réalistes, appelé V-BLAST et HBLAST [22]. V-BLAST apparus pour atténuer la complexité de calcul de D-BLAST et pour l’augmentation de l’efficacité spectrale de la transmission. Le T-BLAST est construit par la combinaison du BLAST [29]. Le but de ces différentes architectures est d’améliorer les performances en termes de taux d’erreur binaire du système [30]. A la réception de nombreuses approches ont également été envisagées pour la séparation des signaux et la réception des symboles en provenance d’un canal MIMO, et une gamme complète d’algorithmes linéaires ou non est disponible. Dans ce chapitre on se base sur le critère du forçage à zéro (ZF) ; solution la plus simple mais aussi la moins performante. Ainsi que le récepteur à retour de décision V-BLASTqui améliore nettement les performances sans ordonnancement [31].

Ces dernières années, les travaux de recherche dans le domaine des télécommunications sans fils ont amenés de nouvelles solutions pour améliorer le débit ou/et la qualité de transmission. Une des techniques qui peut répondre à ces problématiques est connue sous le nom de systèmes MIMO. Le travail de ce mémoire a été initié dans ce contexte et a porté sur l’étude des performances des systèmes MIMO en configurations STBC et V-BLAST. Nous avons commencé par étudier les caractéristiques principales de ces systèmes MIMO. Nous avons essayé dans cette partie de proposer une vue d’ensemble du domaine, En particulier nous avons expliqué la raison de leur succès en montrant que la capacité pouvait croître linéairement avec le nombre d’antennes émettrices Nt. La comparaison entre le système MIMO et les autres systèmes SISO et SIMO démontre qu’il n’y a aucun doute quant à l’intérêt de la technologie MIMO en terme de capacité Outre les environnements de propagation qui doivent proposer de nombreux échos pour atteindre un ordre de diversité acceptable. Les antennes réceptrices reçoivent un mélange des contributions de toutes les antennes émettrices. En effet, on a également présenté plusieurs algorithmes, linéaires ou non, permettant de séparer les signaux et de retrouver l’information initiale, ainsi que l’architecture de code spatio-temporel. Les algorithmes MIMO implémentés ont été choisis en fonction de leur simplicité.

Ces algorithmes reposent à l’émission, sur le multiplexage spatial(SM) ou sur le codage spatiotemporel en bloc. Dans ce stade, nous avons donné un aperçu sur les performances des codes spatio-temporel (STBC) qui introduit par Alamouti en 1998, puis généralisé par la suite par Tarokh. La première exploite toute la diversité spatio-temporelle pour accroitre le gain tandis que la deuxième vient compléter la première par son rapport en gain de codage. D’autres systèmes MIMO sont exposé par la suit, notamment les systèmes basés sur le multiplexage spatial, telle l’architecture BLAST développée par les laboratoires Bell doivent cependant respecter bon nombre de contraintes, dont la bande étroite reste la principale. La dernière partie a été consacrée à la simulation des capacités des différents schémas d’un système MIMO (SISO, SIMO, MIMO), ainsi les performances des deux configurations STBC et V-BLAST ont été exposé et interprété en détaille en utilisant les différentes techniques de modulation telles la 4-QAM et la 16QAM. Les résultats de simulation ont montré que les techniques MIMO peuvent soit augmenter le la capacité ou l’efficacité spectral, soit améliorer la robustesse des systèmes sans fil. La comparaison des deux techniques, montre que les systèmes STBC perforés est meilleur que système V-BLAST et donne des meilleurs performances en terme de taux d’erreur binaire (BER) des données transmises avec une efficacité de la bande passante constante. En revanche, les systèmes V-BLAST restent le meilleur choix pour augmenter l’efficacité spectrale ou le débit des systèmes sans fil.