Simulation de la capacite canal UMTS par la technique MIMO

En 1984, M. Jack Winters du Bell Laboratories déposa le premier brevet de la communication sans fil. Ensuite M. Jack Salz publia un article sur le MIMO basé sur les travaux de M. Wintersen 1985. Et, de 1986 à 1995, plusieurs auteurs ont fait publications dans le domaine. En 1996, G. Rayleigh et Gérard J. Foschini ont inventé des nouvelles approches qui pourraient accroître l’efficacité du MIMO. Aussi, il a été démontré que la capacité du canal MIMO augmente avec le nombre d’antennes de façon proportionnelle. Actuellement, le passage à la troisième génération de la téléphonie mobile permet de multiples services tel que le multimédia, la commutation par paquet et l’accès radio à large bande. Pour cela il est demandé que les débits des communications soient de plus en plus élevés tout en garantissant un temps de traitement transparent pour l’utilisateur. Cependant, l’augmentation en débit des communications doit se faire, tout au moins dans le domaine radio, dans des bandes de transmission de plus en plus rares et de plus en plus chères. De plus en 1949, C. E. Shannon prouve qu’il existe une efficacité spectrale limite, appelée capacité du canal, que l’on ne peut pas dépasser si l’on souhaite une transmission sans erreurs. Dans sa démonstration C.E. Shannon prend comme hypothèse de départ un système comprenant une entrée et une sortie (ou SISO). Récemment, des théoriciens de l’information montre qu’en considérant un système à plusieurs entrées et sorties (ou MIMO), la capacité de canal peut augmenter de façon linéaire en fonction du nombre minimum d’entrée et de sortie. En utilisant plusieurs antennes à l’émission et à la réception, il est donc théoriquement possible de dépasser la limite théorique énoncée par C.E Shannon qui se limite au cas mono antenne (SISO). De nombreux chercheur voient ainsi en MIMO une solution potentielle pour atteindre en transmission sans fil des débits très élevée. Les travaux théoriques sur les capacités des systèmes MIMO vont ainsi ouvrir la voie à des nombreuses études et travaux de recherche, incluant notamment des stratégies d’émission et de réception exploitant au mieux les potentialités du canal MIMO. Les systèmes MIMO ont l’avantage d’augmenter le débit, mais aussi de lutter efficacement contre les évanouissements du canal ce qui les rend adaptés aux milieux urbains (nombreuses zones d’ombre dues aux bâtiments). La qualité de service de la transmission s’en trouve améliorée : les pertes totales du signal sont beaucoup moins probables à cause de la redondance spatiale des différents trajets empruntés entre les antennes d’émission et de réception. Parfois l’augmentation du débit rend les coûts de plus en plus élevés pour le fabricant, par contre le coût acceptable pour le consommateur reste constant. Et pour cela il est donc important avant la fabrication, de dimensionner le système (nombre d’antennes à l’émission et à la réception), d’utiliser les meilleures modulations, de choisir les techniques d’allocation de puissance (répartition optimale de la puissance entre les antennes d’émission) adaptées à l’environnement de propagation et ainsi connaître à l’avance les performances du système. Comme aperçu de cette affirmation notons le cas particulier où l’antenne est formée de deux antennes à l’émission et une antenne à la réception, un schéma d’émission le code d’Alamouti associé à un récepteur très simple permet d’exploiter de façon optimale la capacité du canal multi-antenne. Néanmoins pour les autres configurations d’antennes, exploitant des potentialités du canal MIMO nécessite en général des schémas d’émission engendrant une réception relativement complexe surtout en présence de codage de canal où les différentes fonctions de réception doivent être optimisées conjointement. D’après l’étude des techniques MIMO nous allons démonter qu’avec une même puissance d’émission et une largeur de bande équivalente en SISO on pourrait avoir une capacité canal plus grande sous certaines conditions.

MODELISATION DU CANAL DE COMMUNICATION MULTI-ANTENNAIRE 

Les données binaires d’information dn alimentent un bloc de transmission comprenant les fonctions de codage de canal, d’entrelacement, de conversion binaire-Maire et enfin un organe que nous appellerons mapper espace-temps dont le but est d’assigner à chaque antenne les différents symboles. Cette assignation peut se faire avec ajout de redondance, on parlera alors de codage espace-temps, ou bien sans aucune redondance, les données sont alors multiplexées spatialement. Cette assignation spatio-temporelle peut être éventuellement complétée par une pondération suivant l’antenne considérée ou bien par un précodage linéaire spatio-temporel.

En réception, le signal émis est capté simultanément par plusieurs antennes. Un traitement spécifique est alors mis en œuvre pour retrouver le symbole émis à partir des différentes séquences reçues pour chaque antenne. En plus des opérations classiques de conversion Mairebinaire, désentrelacement et décodage de canal, le récepteur comprend un égaliseur (ou détecteur) espace-temps exploitant en général la connaissance du canal (CSI) et dont la structure et la complexité varient suivant l’application et la technique d’émission considérées.

Caractérisation du canal MIMO

Pour les systèmes à large bande, l’analyse doit se porter sur les pertes de puissance (estimation de la couverture radioélectrique et du rapport signal sur interférent) et sur la réponse impulsionnelle (estimation des caractéristiques du canal à large bande). Par conséquent, une description précise de la dimension spatiale et temporelle des propriétés du canal est nécessaire pour la conception de système à haut débit, et aussi pour le choix de la topologie du réseau. Pour répondre à cet objectif, une théorie a été proposée tout d’abord dans [4], dans le domaine temporel, puis étendue à une caractérisation spatio-temporelle dans [5] et [6]. Cette théorie de caractérisation spatio-temporelle permet de définir les relations existant entre les différentes représentations possibles du canal de propagation. Dès lors, de toutes ces représentations, nous pouvons extraire des informations précises liées au degré de cohérence ou de dispersion spatio-temporel du canal. Toutefois, ces paramètres caractéristiques du canal sont très souvent définis dans le cadre d’une hypothèse de travail purement statistique .

Paramètres caractéristiques du canal MIMO

En considérant le canal de transmission MIMO, défini par les réseaux d’antennes Tx et Rx avec le canal de propagation les séparant, plusieurs paramètres peuvent être exploités. Les paramètres les plus utilisés sont les valeurs propres de la matrice du canal, le conditionnement, la capacité et la corrélation.

Décomposition en canaux décorrélés : valeurs propres

La représentation classique du canal repose sur une description considérant Nr x Ne canaux SISO  et est modélisée par la matrice de canal notée H. La diagonalisation du canal matriciel correspondant permet d’exprimer le canal comme la superposition de plusieurs sous canaux (ou modes) « propres » décorrélés transportant chacun une fraction du signal transmis.

Conditionnement du canal MIMO 

Ce paramètre nous informe sur la qualité de la liaison. Il est défini par le rapport entre la valeur propre maximale et la valeur propre minimale du canal. Si ce rapport est proche de 1, alors toutes les voies d’émission peuvent transmettre la même quantité d’information, alors que dans le cas contraire, la liaison est déséquilibrée.

Capacité du canal MIMO
Shannon a démontré qu’il existe un débit d’information en dessous duquel il est possible de transmettre avec une probabilité d’erreur arbitrairement faible en utilisant un codage suffisamment élaboré. Au-dessus de ce débit, la probabilité d’erreur ne peut plus être annulée. Cette grandeur s’appelle capacité du canal que nous notons C (en Bps/Hz).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 MODELISATION DU CANAL DE COMMUNICATION MULTI-ANTENNAIRE
1.1 Présentation
1.2 Modélisation des systèmes multi-antennaire
1.3 Canal MIMO
1.3.1 Modèle théorique
1.3.2. Gain d’antenne et normalisation
1.3.3 Corrélation entre antennes
1.3.4 Modélisation du canal MIMO
1.4 Caractérisation du canal MIMO
1.5 Paramètres caractéristiques du canal MIMO
1.5.1 Décomposition en canaux décorrélés : valeurs propres
1.5.2 Conditionnement du canal MIMO
1.5.3 Capacité du canal MIMO
1.5.4 Techniques et systèmes de mesure
1.6 Conclusion
CHAPITRE 2 LES TECHNIQUES MIMO
2.1 Technique MIMO avec connaissance du canal à l’émission et à la réception
2.1.1 Pré-égalisation à puissance uniforme : Eigen Beamforming
2.1.2 Maximisation de la capacité : Water-filling
2.1.3 Minimisation du taux d’erreur binaire
2.2 Techniques MIMO avec connaissance du canal en réception
2.2.1 Critères de construction
2.2.2 Maximisation du débit : multiplexage spatial (SDM)
2.2.3 Schémas d’émission
2.2.4 Réception
2.2.5 Maximisation des performances : codage espace-temps (STC)
2.2.6 Précodage linéaire pour codage espace-temps
2.2.7 Codage à dispersion linéaire (LDC)
2.3 Techniques MIMO sans connaissance du canal
2.4 Modulations unitaires espace-temps
2.5 Codes espace-temps différentiels
2.6 Techniques MIMO en présence de sélectivité fréquentielle
2.6.1 Transmission mono-porteuse et égalisation
2.6.2 Transmission multi-porteuses : techniques MIMO-OFDM
2.7 Conclusion
CHAPITRE 3 APPLICATION DE LA TECHNOLOGIE MIMO SUR L’UMTS
3.1 Introduction
3.2 Application du MIMO sur l’UMTS Modèle MIMO 2×2WCDMA
3.3 Le simulateur de canaux
3.3.1 Le SCM (Spatial Channel Model for MIMO simulation): description
3.3.2 Les deux cas de la simulation
3.4 Simulation du canal MIMO spatial de l’UMTS
3.5 Discussion et résultats
3.5.1 Macrocellule Suburbaine
3.5.2 Macrocellules urbaine
3.5.3 Microcellule urbaine
3.5.4 Interprétations des résultats
3.6 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXES

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