Applied electromagnetic environment cognition to improve a radio communication link

Résumé

Avec l'adoption continue de dispositifs mobiles, il est prévu que la capacité du réseau cellulaire grandisse à des taux qui ne sont pas compatibles avec les réseaux micro-ondes actuels. Ainsi, l’intérêt donc dans les ondes à bandes millimétriques (30-300 GHz) a augmenté considérablement puisqu’elles offrent la possibilité d’une assignation du spectre plus large par rapport à celle existante actuellement au-dessous le 3 GHz. Spécifiquement, en ce moment l’on considère que la bande de 28-38 GHz possède un grand potentiel pour fournir des services de téléphonie mobile de cinquième génération. Dans ce sens, les mesures in situ démontrent qu’il est possible d’établir des liaisons de communications faisables dans un rayon de 200 mètres, même en absence de visibilité directe, en utilisant des antennes directionnelles. Ce scénario est différent de celui utilisé dans les systèmes actuels de téléphonie portable dans lesquels l’application/utilisation des antennes directionnelles normalement s’effectue après avoir complété l’accès au réseau et non pas par l’accès en soi même. Une estimation de canal en utilisant des méthodes de formation de faisceau hybride a été proposée comme une solution, mais au détriment de l'application de plus d'une chaîne de radiofréquence. D’autre part, les techniques d’estimation à détection compressée qui tirent avantage des caractéristiques éparses des canaux à ondes millimétriques, qui fournissent une représentation précise du profil angulaire de puissance et qui requièrent un petit nombre de mesures révèlent être sensibles au bruit additif. Cette réalité peut affecter principalement des sites qui ne disposent pas d'une ligne de visibilité direct où le niveau du signal peut n’est pas suffisamment élevé. Dans cet écrit, nous profitons des caractéristiques de propagation spécifiques du site où le système est déployé. Cette connaissance peut être exploitée dans la station de base sous la forme d'une base de données relative à la position de l'utilisateur. L’information sur la localisation d'un utilisateur devient de plus en plus accessible sur les appareils mobiles comme un élément intégré et avec un degré de précision croissant. Dans la première partie, il est démontré que la sélection préalable des orientations des antennes les plus efficaces pour générer la valeur la plus élevée de puissance pour les utilisateurs situés dans des positions sans visibilité directe, accélère le lien d'accès. Plus précisément, pour la bande de 28 GHz, les données de simulation d’un outil du traçage de rayons appliqué dans les milieux urbains spécifiques indiquent que l’application des valeurs arbitraires des angles est sans bénéfice pour les utilisateurs. Certains angles peuvent être totalement ou partiellement bloqués par des bâtiments proches qui limitent l’éclairage en radiofréquence à une puissance maximale d’une valeur inférieure par rapport à ce qui peut être obtenu avec d'autres. Les simulations montrent qu’on peut obtenir un bénéfice de plus de 2 dB dans un certain nombre de mesures de puissance consécutives, mais cette amélioration de la performance semble être affectée par la sévérité du type de propagation de corridor urbain existant. En outre, étant donné que les angles discrets de la station de base ou de l’équipement de l’utilisateur sont répétés individuellement ou collectivement dans des nombreuses et différentes localisations géographiques, la répartition en pourcentage des angles qui génèrent une puissance maximale peut également être exploitée pour fournir des améliorations supplémentaires. On développe une méthode de traçage de rayons simplifiée pour déterminer les meilleurs angles ainsi que leur répartition en pourcentage non uniforme. L'impact de la réduction de l’ensemble des angles est déterminé en mesurant l'amélioration du rapport signal/ bruit lorsque les angles de la station de base ainsi que l'équipement de l’utilisateur varient aléatoirement un certain nombre de fois. En outre, une comparaison entre le nombre de commutations de faisceaux d'antenne nécessaire pour établir la liaison d'accès dans une procédure d'alignement de l'antenne spécifique est effectuée. Ces résultats peuvent être utiles dans les systèmes utilisant la formation de faisceau analogique. Dans la deuxième partie, nous avons développé un algorithme d'alignement d'antenne en profitant de la connaissance des caractéristiques de propagation spécifiques sous la forme d'une base de données liée à la localisation géographique de l'équipement utilisateur. On considère les deux cas dans lesquels la station de base connaît la situation exacte et inexacte de l’utilisateur. Nous profitons de l’observation selon laquelle l’angle de la station de base associée au premier trajet de propagation est répété à des points à l'intérieur d'un cercle de rayon D autour de la position indiquée. Le procédé développé peut éclairer de manière appropriée l'utilisateur, même dans le cas d'une information inexacte de la position. La détermination du meilleur angle de BS facilite l'application d'un faisceau étroit d'antenne dans la phase initiale du processus d'alignement, ce qui offre l'avantage d'un plus haut niveau de puissance au démarrage et par conséquent, d’un nombre réduit d’alignement. Les résultats de simulation montrent que l'algorithme proposé possède une performance similaire ou meilleure par rapport à un processus hiérarchique conventionnel modifié, à condition que la situation exacte de l’usager se trouve dans la zone circulaire du rayon D contenant des points de la base de données. Par ailleurs, le rayon D peut avoir une valeur un peu supérieure à l'erreur maximale du système de positionnement géographique, sans produire une plus grande variation dans la performance. D'un autre côté, on a prouvé qu'il n'est pas nécessaire d’appliquer une base de données de très haute résolution. Les résultats obtenus en appliquant des erreurs maximales de position allant jusqu'à 10 m et de résolution de la base de données allant jusqu'à 4 m, respectivement, indiquent aussi que la distance entre les points de la base de données peut augmenter jusqu'à 2 m sans impact majeur sur les performances. Ces résultats sont maintenus en variant le niveau maximal de puissance reçue à l'équipement utilisateur. Dans la troisième partie, on développe l'application de la connaissance des caractéristiques spécifiques de la propagation d'un site pour augmenter la capacité de liaison. Étant donné que la base de données peut avoir l'information de toutes les directions de propagation existantes dans une position spécifique de l'utilisateur, nous élargissons l'algorithme développé dans la section précédente en ajoutant une seconde trajectoire sous la condition que la capacité totale soit supérieure à celle qui peut être obtenue avec seulement la première étape. L'inexactitude de la position informée par l'utilisateur force le choix d’un point de référence de la base de données pour le rapprochement des principaux angles de la seconde trajectoire. Les simulations utilisant le traçage des rayons dans trois zones bien définies montrent que, sous des règles de décision définies, l'augmentation de la capacité supplémentaire qui pourrait être atteint avec l'application de l'algorithme est assez proche du cas idéal où l'utilisateur indique la position exacte. Étant donné qu'une étape supplémentaire est nécessaire pour que la station de base communique les angles de la deuxième trajectoire à l’équipement de l’utilisateur, le procédé d’alignement d’antenne en utilisant une base de données, continue à être plus rapide par rapport à la méthode d'alignement hiérarchique modifiée. En outre, on analyse l'effet de la résolution de la base de données sur les performances de l’algorithme proposé dans des conditions statistiques et variables.

Date	28 mars 2017
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ammar B. Kouki (Directeur(-trice))