Conception de systèmes multi-antennes multi-bandes pour terminaux mobiles LTE

En l’espace d’une vingtaine d’années, l’usage des services de communications mobiles a connu un essor remarquable. On comptait, à la fin de l’année 2011 prés de 6 milliards d’abonnés à travers le monde, soit 87% de la population mondiale [1]. C’est véritablement un nouveau secteur de l’industrie qui s’est créé, regroupant notamment constructeurs de circuits électroniques, constructeurs de terminaux mobiles, constructeurs d’infrastructures de réseaux, développeurs d’applications et opérateurs de réseaux mobiles.

Conçues à l’origine pour offrir uniquement un service de téléphonie mobile, les technologies de communications radio mobiles ont considérablement évolué et permettent désormais une connexion à haut débit en situation de mobilité. Les utilisateurs de terminaux mobiles peuvent naviguer sur le web, utiliser leurs applications et services préférés, télécharger des vidéos, et bien plus, tout cela sur le même terminal et en mobilité. Cette révolution a été rendue possible par la conjonction de deux facteurs, d’une part l’apparition et la généralisation de téléphones intelligents (smartphones, puis tablettes), d’autre part le déploiement généralisé de la norme 3G+ sur les réseaux, entrainant une amélioration significative de leurs performances en termes de transmission de données. Tout cela a fait augmenter l’attente des clients pour une meilleure qualité et une plus grande performance des réseaux. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre de nouvelles technologies. Il est vite apparu que seule la nouvelle génération LTE (aussi appelée 4G) et de nouvelles bandes de fréquences seraient à même de satisfaire les besoins à venir.

Le LTE (Long Term Evolution) a été envisagé dés novembre 2004 comme l’évolution à long terme de l’UMTS. Quelques spécificités du LTE :

La capacité en nombre d’utilisateurs simultanés: Le système doit supporter simultanément un grand nombre d’utilisateurs par cellule. Il est attendu qu’au moins 200 utilisateurs simultanés par cellule soient acceptés à l’état actif pour une largeur de bande de 5 MHz, et au moins 400 utilisateurs pour des largeurs de bandes supérieures.

Les débits: Les objectifs de débit maximal définis pour le LTE sont de 100 Mbit/s en voie descendante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz et 50 Mbit/s en voie montante pour une largeur de bande allouée de 20 MHz. Ces chiffres supposent un terminal comprenant deux antennes en réception et une antenne en émission.

L’agilité en fréquence: le LTE doit pouvoir opérer sur des porteuses de différentes largeurs afin de s’adapter à des allocations spectrales variées. Les largeurs de bandes sont les suivantes: 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz dans les sens montant et descendant.

La mobilité: Le LTE vise à rester fonctionnel pour des terminaux se déplaçant à des vitesses élevées (jusqu’à 350 km/h) tout en étant optimisé pour des vitesses plus faibles (entre 0 et 15 km/h).

Les bandes de fréquence LTE allouées au niveau mondial sont: 450-470 MHz, 790-960 MHz, 1.71-2.025 GHz, 2.11-2.2 GHz, 2.3-2.4 GHz, 2.5-2.69 GHz. Au niveau européen, ce sont les bandes 790-862 MHz et 2.5-2.69 GHz qui ont été identifiées.

La bande 790-862 MHz, appelée dividende numérique regroupe les fréquences libérées suite à l’extinction de la télévision analogique au profit de la TNT (Télévision Numérique Terrestre). Cette bande possède de très bonnes propriétés de propagation. Les ondes radio se propagent plus loin aux fréquences basses et pénètrent mieux dans les bâtiments et la végétation qu’aux fréquences hautes. Pour un même nombre de stations de base déployées, la bande basse permet d’offrir une meilleure couverture, notamment à l’intérieur des bâtiments. Néanmoins, la bande disponible est assez étroite (30 MHz voie montante et 30 MHz voie descendante). La bande 2.5-2.69 GHz présente une largeur plus élevée avec 70 MHz en voie montante et 70 MHz en voie descendante. Elle autorise potentiellement des débits et une capacité élevés pour les réseaux l’utilisant. Elle est donc appropriée pour le déploiement de réseaux en zones denses. Une utilisation statique des deux bandes peut parfois paraître inefficace selon la charge du trafic, l’environnement de propagation et les positions des terminaux. Ainsi, le projet SACRA « Spectrum And energy efficiency through multi-band Cognitive RAdio » a développé des techniques de gestion dynamique des ressources spectrales [2]. Le projet SACRA est un projet européen FP7 dans lequel s’insèrent les travaux de cette thèse. Il a débuté en janvier 2010 pour une durée de trois ans. Il regroupe neuf partenaires industriels et académiques: Thales Communications & Security (France), NEC Technologies (UK), le Centre de Recherche Technique de Finlande VTT (Finlande), Institut Fraunhofer IIS (Allemagne), Eurecom (France), DMCE (Autriche), Intel Mobile Communications (France), Université d’Athènes (Grèce) et l’Institut Mines-Télécom (France).

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Table des matières

Introduction
1. Chapitre 1: Systèmes antennaires compacts utilisant la diversité
1.1. Introduction
1.2. Techniques multi-antennaires
1.2.1. La formation de faisceau
1.2.2. La diversité d’antennes
1.2.2.1. La diversité d’espace
1.2.2.2. La diversité de polarisation
1.2.2.3. La diversité de rayonnement
1.2.2.4. La diversité de phase
1.2.3. Les techniques de diversité
1.2.4. Le multiplexage spatial
1.3. Analyse de la diversité antennaire
1.3.1. Le coefficient de corrélation d’enveloppe
1.3.2. Le gain effectif moyen (MEG) et le gain de diversité (DG)
1.3.2.1. Le gain Effectif Moyen (MEG)
1.3.2.2. Le gain de Diversité (DG)
1.3.3. La distribution angulaire des signaux dans l’analyse de la diversité
1.4. État de l’art des stratégies mises en œuvre au niveau antennaire pour réduire l’encombrement des systèmes à diversité
1.4.1. Antenne seule : Compromis taille/efficacité/bande
1.4.1.1. Taille de l’antenne dans un terminal mobile
1.4.1.2. Efficacité de rayonnement et efficacité totale de l’antenne
1.4.1.3. Bande passante de l’antenne
1.4.2. Système antennaire : Compromis encombrement/isolation
1.4.2.1. Juxtaposition des antennes
1.4.2.2. Co-localisation des antennes
1.4.2.3. Antennes reconfigurables en rayonnement
1.4.3. Etat de l’art des systèmes antennaires compacts pour le LTE
1.5. Conclusion
2. Chapitre 2: Conception de système antennaire compact bi-bandes à diversité privilégiant l’efficacité
2.1. Introduction
2.2. Géométrie du système
2.3. Études paramétriques sur les éléments constituant le système antennaire
2.3.1. Optimisation de la géométrie du plan de masse
2.3.1.1. Influence de la zone d’alimentation des monopôles
2.3.1.2. Influence de la position des connecteurs
2.3.1.3. Influence de la longueur du plan de masse
2.3.1.4. Influence de la largeur du plan de masse
2.3.1.5. Conclusion
2.3.2. Optimisation de l’isolation entre antennes
2.3.2.1. Extension du plan de masse
2.3.2.2. Insertion d’encoche
2.3.3. Optimisation de la géométrie des éléments rayonnants
2.3.3.1. Influence du nombre de brins
2.3.3.2. Influence de la longueur des méandres Lmea
2.3.3.3. Influence de la largeur des méandres Wmea
2.3.3.4. Conclusion
2.3.4. Etude de la sensibilité
Conclusion