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CANAL RADIO MOBILE
Les systèmes radio mobiles se situent souvent dans un environnement géométrique compliqué, dû entre autres à la présence des bâtiments qui entraînent de multiples trajets possibles entre les antennes d’émission et de réception. Lorsqu’on veut transmettre une information d’un émetteur A à un récepteur B, l’information transite dans un canal de propagation ou canal de transmission radio mobile dans lequel, on peut trouver plusieurs phénomènes physiques et naturels qui influencent de manière directe ou indirecte la capacité de la transmission. Bien sûr, ces phénomènes sont des problèmes aléatoires non négligeables et inéluctables, mais on ne va pas stopper notre transmission à cause de ce dernier. Par conséquent, une connaissance générale sur le canal radio est primordiale dans la conception d’un système de communication efficace. Elle permet d’anticiper et de combattre à l’avance aux problèmes de transmissions. quelques modèles de canaux ainsi que leurs caractéristiques et aussi les facteurs qui limitent la performance des systèmes radio mobiles.
Définition d’un canal
Un canal de communications est un médium physique qui est utilisé pour la transmission d’un signal à partir d’un transmetteur jusqu’au récepteur. Il est également possible de procéder via des ondes électromagnétiques dans le sans-fil. Quelque soit le mode de transmission, une constante demeure, c’est que des perturbations aléatoires non prévisibles affectent le signal transmis avant sa réception. On utilise les processus stochastiques pour fins de modélisation d’un canal de communications dû aux incertitudes inhérentes au processus. Un des problèmes communs est la présence de bruits additifs ; ils ont diverses causes dont le bruit thermique des composantes constituant l’appareil récepteur par exemple. L’effet du bruit peut être atténué par l’augmentation de puissance du signal transmis. Toutefois, certaines limitations peuvent l’empêcher. La bande passante disponible est également une limitation majeure, non seulement due aux composantes physiques, mais par les restrictions législatives et la demande très élevée pour cette ressource limitée.
Caractéristique d’un canal
Les systèmes de communication sans-fil sont limités en performances et en capacité principalement à cause de deux facteurs liés au canal de transmission :
Bruit additif
Le bruit définit les signaux aléatoires et non désirés, voire parasites, se superposant aux signaux utiles. Le bruit additif est l’un des problèmes les plus communément rencontrés dans la transmission. Il est généré par les composants internes du système de communication, et principalement par le bloc radio fréquence RFFE (Radio Frequency Front-End) du récepteur. De plus, il est généralement modélisé par un bruit blanc Gaussien additif (BBGA) ayant une puissance constante.
La modélisation mathématique le plus simple pour une voie de transmission est le canal à bruit additif. Dans ce modèle, le signal transmis x(t) est corrompu par un processus aléatoire de bruit additif n(t).L’atténuation du canal est donc facilement incorporée au modèle. Quand le signal subit une atténuation, le signal reçu y(t) est donné par (1.01):
?(?) = ??(?) + ?(?) (1.01)
Evanouissement et trajets multiples
Un signal émis par une antenne radio se propage soit dans toutes les directions (si l’antenne est omnidirectionnelle), soit dans un ensemble de directions bien précis, si l’antenne est directive. Le signal émis subit des réflexions, des réfractions, des diffusions autour des obstacles se trouvant dans l’environnement de propagation entre la source et la destination. Comme exemples des obstacles, nous citons les bâtiments, les arbres, les voitures, pour l’environnement d’extérieur, sinon pour l’intérieur, nous citons les meubles, les murs etc. Ainsi, le récepteur voit des versions multiples du signal émis, de puissances atténuées et avec certains retards. [3] L’évanouissement que connaît une communication sans-fil est en fait une atténuation de la puissance du signal perceptible due à diverses causes selon le type d’évanouissement rencontré. Nous pouvons les regrouper en trois catégories, la perte de puissance en propagation libre, l’ombrage, et l’évanouissement. La première consiste en fait, à la perte de puissance au fur et à mesure que le signal électromagnétique se propage dans l’espace. La seconde quant à elle, est due à la présence d’obstacles fixes dans le chemin de propagation d’un signal radio. Enfin, la troisième catégorie est l’évanouissement proprement dit, qui se compose d’effets combinés de multiples parcours de propagation, de mouvements rapides des unités émettrices et réceptrices, et enfin, des obstacles. Cet évanouissement décrit les fluctuations rapides de l’amplitude du signal reçu sur une courte période de temps. Ce phénomène est causé par l’interférence d’au moins deux versions du signal transmis qui arrivent au récepteur avec un léger décalage temporel. La résultante peut grandement varier en amplitude et en phase tout dépendamment de multiples facteurs tels que l’intensité, le délai entre les ondes, etc. La performance du système peut donc être très dégradée par l’évanouissement, mais heureusement, plusieurs techniques peuvent aider à la contrer. L’évanouissement se compose d’effets combinés de multiples parcours de propagation, de mouvements rapides des unités émettrices et réceptrices, et des obstacles. Cet évanouissement décrit les fluctuations rapides de l’amplitude du signal reçu sur une courte période de temps, un phénomène causé par l’interférence d’au moins deux versions du signal transmis qui arrivent au récepteur avec un léger décalage dans le temps. La performance d’un système de communication peut être très dégradée par l’évanouissement. La propagation par trajet multiple est l’un des problèmes les plus difficiles à combattre associés aux trajets mobile.
Types d’évanouissements
L’atténuation du signal est principalement due à un environnement de propagation riche en échos et donc caractérisé par de nombreux multi-trajets, mais aussi au mouvement relatif de l’émetteur et du récepteur entrainant des variations temporelles du canal. Le phénomène de multi-trajets s’observe lorsque l’onde électromagnétique portant le signal modulé se propage par plusieurs chemins de l’émetteur au récepteur. On distingue deux types d’évanouissements dont les origines et les manifestions sont différentes : les évanouissements à grande échelle et les évanouissements à petite échelle.
➤ Evanouissements à grande échelle
Les évanouissements à grande échelle se manifestent par l’atténuation de la puissance moyenne du signal reçu occasionnée lorsque l’émetteur et le récepteur sont séparés par une grande distance. Ce phénomène résulte des contours saillants du terrain (forêts, collines, groupe d’immeubles…) situés entre l’émetteur et le récepteur. Des analyses statistiques sur les évanouissements à grande échelle ont permis de caractériser l’atténuation moyenne en fonction de la distance. La distribution de l’atténuation est de type log-normale. [2]
➤ Evanouissements à petite échelle
L’évanouissement à petite échelle se traduit par des modifications de l’amplitude et de la phase du signal dues à des petits changements (de l’ordre d’une demi-longueur d’onde) du chemin parcouru par les signaux entre l’émetteur et le récepteur. Les trajets multiples provoquent un étalement temporel du signal reçu. D’un autre côté, en raison du déplacement de l’émetteur, du récepteur ou des obstacles, l’environnement de propagation de l’onde émise change, ce qui se traduit par des variations temporelles de l’amplitude et de la phase du signal reçu.
✔ Effet Doppler
La variation du canal de propagation est liée aux mouvements des différents éléments du milieu de propagation : mouvement de l’émetteur et/ou du récepteur. Les variations du canal sont proportionnelles à la vitesse de déplacement de l’objet avec lequel l’onde interagit ainsi qu’à la fréquence porteuse. Ce phénomène s’appelle l’effet Doppler. On peut considérer l’effet Doppler comme le pendant fréquentiel de l’étalement temporel, et définir ainsi un étalement fréquentiel Bm correspondant à la différence entre le plus grand et le plus petit décalage en fréquence inhérents aux multiples trajets. On représente par Tc le temps de cohérence du canal, durant lequel les distorsions temporelles du canal restent négligeables. Traditionnellement, Tc est du même ordre de grandeur que l’inverse de l’étalement fréquentiel Tc=1/Bm, On note Ts la période symbole. [3]
✔ Etalement temporel
Lors d’une transmission sur un canal à évanouissements, les composantes du signal ayant emprunté des chemins distincts arrivent au récepteur avec des retards différents. L’étalement temporel, noté Tm et défini par la différence entre le plus grand et le plus court des retards, permet de caractériser le canal par une seule variable qui est la dispersion temporelle du canal. La bande de cohérence du canal, notée Bc, correspond à la gamme de fréquence sur laquelle les amplitudes des composantes fréquentielles du signal, fortement corrélées, subissent des atténuations semblables. En dehors de cette bande de fréquence en revanche, les distorsions du signal deviennent non négligeables. En général, la bande de cohérence d’un canal est du même ordre de grandeur que l’inverse de son étalement temporel : Bc=1/Tm, notons Bs la largeur de bande du signal transmis.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 CANAL RADIO MOBILE
1.1 Introduction
1.2 System de communication
1.3 Définition d’un canal
1.4 Caractéristique d’un canal
1.4.1 Bruit additif
1.4.2 Evanouissement et trajets multiples
1.4.2.1 Types d’évanouissements
1.4.2.2 Trajets multiples
1.5 Types et modèles de canaux
1.5.1 Canal avec bruit blanc gaussien aditif
1.5.2 Canal à évanouissements
1.5.3 Le modèle du canal de Rayleigh
1.6 Sélectivité d’un canal de communication
1.6.1 Canal sélectif en fréquence
1.6.2 Canal sélectif en temps
1.6.3 Canal non sélectif
1.7 Notions de diversité
1.7.1 Types de diversité
1.7.1.1 Diversité temporelle
1.7.1.2 Diversité fréquentielle
1.7.1.3 Diversité de polarisation
1.7.1.4 Diversité spatiale
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 LA TECHNOLOGIE MIMO
2.1 Introduction
2.2 Introduction aux systèmes MIMO
2.2.1 Historique
2.2.2 Variantes
2.2.3 Présentation bref du principe du MIMO
2.3 Chemin vers MIMO
2.3.1 SISO
2.3.2 SIMO
2.3.3 MISO
2.3.4 MIMO
2.4 Techniques MIMO à l’émission
2.4.1 Notion sur le CSI (Channel State Information)
2.4.1.1 Système à boucle ouvert CSI-Rx
2.4.1.2 Système à boucle fermé CSI-Tx (Rx+Tx)
2.4.2 Les précodeurs
2.4.2.1 Les algorithmes de précodages
2.4.2.2 Transformation en canal virtuel
2.4.2.3 Différents types de précodeurs
2.4.3 Système MIMO à base de codes
2.4.3.1 Codage spatio-temporel en treillis
2.4.3.2 Codage spatio-temporel en bloc
2.4.4 Système MIMO à base de multiplexage spatial
2.4.1.1 Architecture H-BLAST
2.4.1.2 Architecture V-BLAST
2.4.1.3 Architecture D-BLAST
2.5 Techniques MIMO à la réception
2.5.1 Les récepteurs MIMO
2.5.1.1 Forçage à zéro (ZF)
2.5.1.2 Erreur Quadratique Moyenne Minimale (EQMM)
2.5.1.3 Maximum de Vraisemblance (MV)
2.5.1.4 V-BLAST
2.5.2 Les techniques de combinaisons
2.5.2.2 Combinaison par commutation ou Switched combining
2.5.2.3 Equal Gain Combining (EGC)
2.5.2.4 Maximum Ratio Combining (MRC)
2.5.3 Autres techniques
2.5.3.1 Technique Beamforming
2.5.3.2 La technique water-filling
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 LA TECHNOLOGIE MIMO-OFDM
3.1 Introduction
3.2 Introduction à la modulation OFDM
3.3 Présentation de la technologie OFDM
3.4 Principe et fonctionnement de l’OFDM
3.4.1 Principe de modulation
3.4.2 Principe de démodulation
3.5 Implémentation numérique
3.5.1 Implantation numérique du modulateur
3.5.1.1 Principe de l’émetteur
3.5.2 Implantation numérique du démodulateur
3.5.2.1 Description du récepteur
3.6 Intervalle de garde
3.7 Avantages et inconvénients de l’OFDM
3.8 Normes qui utilisent la modulation OFDM
3.9 L’association MIMO-OFDM
3.9.1 Présentation détaillé du system MIMO-OFDM
3.9.1.1 Transmetteur MIMO-OFDM
3.9.1.2 Récepteur MIMO-OFDM
3.9.2 Capacité MIMO-OFDM
3.10 Intérêt de la combinaison
3.11 Les normes qui utilisent la MIMO-OFDM
3.12 Conclusion
CHAPITRE 4 SIMULATION DE LA TECHNOLOGIE MIMO-OFDM
CONCLUSION GENERALE
