Systèmes de communications multi-antennes MIMO

Les antennes sont des dispositifs utilisés pour rayonner le champ électromagnétique dans l’espace ou pour le capter. Il existe de nombreux types d’antennes. Il est important d’avoir une connaissance globale de leur fonctionnement lors du choix d’un dispositif rayonnant. La compréhension de ce fonctionnement aidera, d’une part à utiliser l’antenne au mieux de ses performances et, d’autre part, à en réaliser une conception optimale. Les avancées dans ce domaine ont été rapides car touchant aux transmissions radioélectriques dont le nombre d’applications est considérable [4]. De nos jours, l’utilisation des systèmes de communications sans fil et la forte expansion de l’internet mobile ne cesse d’augmenter. Les systèmes multi antennes MIMO (Multiple Input Multiple Output) permettent théoriquement d’accroitre la capacité des liens de communications sans fil par rapport aux systèmes composés d’une seule antenne à l’émission et à la réception (SISO Single Input Single Output) [5]. En faisant l’hypothèse que les trajets entre chaque antenne d’émission et de réception sont indépendants, Foshini et Telatar ont démontré que la capacité théorique du canal MIMO avec N antennes à l’émission et M antennes à la réception croit linéairement avec min (N, M). Les systèmes MIMO sont l’un des principaux axes de développement pour augmenter les débits de communications sans fil, bien que les premiers travaux publiés dans ce domaine ne datent que de quelques années [5].

Définition

Selon le dictionnaire Webster, une antenne peut être comme ‘’un dispositif généralement métallique (comme une tige ou un fil) pour émettre ou recevoir des ondes radio’’. Le standard IEEE (IEEE Std 145-1983) définit l’antenne ou aérien comme « un moyen destiné à rayonner ou à recevoir des ondes radio ». En d’autres termes, l’antenne est la structure de transition entre l’espace libre et un dispositif de guidage. Le guide d’onde ou la ligne de transmission peut prendre la forme d’une ligne coaxiale ou un tuyau creux (guide d’ondes) et il est utilisé pour le transport de l’énergie électromagnétique de la source émettrice à l’antenne ou de l’antenne vers le récepteur.

Principe de fonctionnement

Rôle des antennes

Un système de communication radio transmet des informations par l’intermédiaire d’une onde électromagnétique (OEM) :

L’antenne d’émission reçoit le signal électrique de l’émetteur et produit l’onde électromagnétique. Cette OEM se propage dans l’espace autour de l’antenne d’émission. En fonction du type et de la forme d’antennes utilisées, certaines directions de propagation peuvent être privilégiées. La puissance produite par l’émetteur et appliquée à l’antenne se disperse dans l’espace. L’antenne de réception capte une faible partie de cette puissance et la transforme en signal électrique. Ce dernier est appliqué à l’entrée du récepteur qui en extrait l’information transmise. Les phénomènes physiques mis en jeu dans l’antenne étant réversibles, le même dispositif peut émettre et recevoir, sauf dans le cas des émissions de forte puissance.

Caractéristiques des antennes

Elles sont classées en deux catégories principales :
➤ les caractéristiques de rayonnement, qui sont utilisées pour décrire la façon dont l’antenne rayonne ou reçoit l’énergie de l’espace ;
➤ les caractéristiques d’entrée, qui sont utilisées pour spécifier les performances de l’antenne en fonction de ses limites [5].

Diagramme de rayonnement

Les antennes sont rarement omnidirectionnelles et émettent ou reçoivent dans des directions privilégiées. Le diagramme de rayonnement représente les variations de la puissance rayonnée par l’antenne dans les différentes directions de l’espace. Il indique les directions de l’espace dans lesquelles la puissance rayonnée est maximale. Il est important de noter que le diagramme de rayonnement n’a de sens que si l’onde est sphérique .

Fonction caractéristique
La fonction caractéristique permet de représenter les variations du niveau de champ rayonné en champ lointain en fonction de la direction considérée .

Largeur de faisceau (HPBW)
Dans un plan qui contient la direction d’intensité maximale, c’est l’angle entre deux directions ayant la moitié de l’intensité maximale. C’est aussi l’angle entre deux points de même intensité .

SYSTEME MIMO

La technologie MIMO est une technique de télécommunication basée sur une émission et/ou une réception multi-antennes pour exploiter la diversité et améliorer la qualité de service, le débit et la portée. Elle est aujourd’hui pleinement utilisée dans les réseaux sans fil haut débit déployés dans des environnements présentant de nombreux obstacles .

Intérêt des systèmes MIMO

Dans les systèmes de communications traditionnels, il n’existe qu’une antenne à l’émission et une antenne à la réception (SISO). Or les futurs services de communications mobiles sans fils demandent plus de transmissions de données (augmentation de la capacité de transmission). Ainsi pour augmenter la capacité des systèmes SISO et satisfaire ces demandes, les bandes passantes de ces systèmes et les puissances à transmettre ont été largement augmentées.

Mais les récents développements ont montré que l’utilisation de plusieurs antennes à l’émission et à la réception permettait d’augmenter le débit de transmission des données et cela sans augmenter ni la bande passante de l’antenne réceptrice du système SISO, ni la puissance du signal à l’émission. Cette technique de transmission s’appelle MIMO (Multiple Input, Multiple Output) . Un système MIMO tire profit de l’environnement multi-trajets en utilisant les différents canaux de propagation créés par réflexion et/ou par diffraction des ondes pour augmenter la capacité de transmission. D’où l’intérêt aussi d’obtenir des signaux indépendants sur les antennes.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Systèmes de communications multi-antennes MIMO
I.1. Introduction
I.2. Définition
I.3. Principe de fonctionnement
I.3.1. Rôle des antennes
I.4. Caractéristiques des antennes
I.4.1. Diagramme de rayonnement
I.4.2. Fonction caractéristique
I.4.3. Largeur de faisceau (HPBW)
I.4.4. Directivité d’une antenne
I.4.5. Gain d’une antenne
I.4.6. Efficacité d’une antenne
I.5. SYSTEME MIMO
I.5.1. Introduction
I.5.2. Intérêt des systèmes MIMO
I.5.3. Modèle du canal MIMO
I.5.4. Capacité du canal
I.6. Conclusion
Chapitre II : Les systèmes radar à réseaux phasés
II.1. Introduction
II.2. Bande millimétrique
II.3. Intérét
II.4. Angle solide
II.5. Résultats de simulation
II.5.1. Cas où la longueur d’onde λ = 0.00389 m, d = 0,001 m, f0 = 77 GHz, N = 16
II.5.2. Cas où la longueur d’onde λ = 0,00319 m, de fréquence f0 = 94 GHz, d = 0,0007975, N=16
II.5.3. Cas où la longueur d’onde λ = 0,00857 m, de fréquence f0 = 35 GHz, N = 32, d = λ/4 = 0.00214 m
II.6 Conclusion
Chapitre III : Poursuite de cibles
III.1. Introduction
III.2. Suivi de cibles multiples
III.3. Représentation d’une variable d’État d’un système LTI
III.4. Filtres de suivi à gain fixe
III.5. Le filtre αβ
III.6. Critères pour le choix des coefficients des filtres αβ et αβγ
III.7. Le filtre αβγ
III.8. Le filtre de Kalman
III.8.1. Principe de fonctionnement du filtre de kalman
III.8.2. Stabilité du filtre de Kalman
III.8.3. Le Singer αβγ – filtre de Kalman
III.9. Combinaison Kalman-MIMO
III.10. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie