Brevet FR2695276A1 — publié le 19940304

PROCEDE ET INSTALLATION DE RADIOCOMMUNICATION A DISCRIMINA TION DE COMMUNICATIONS RECUES SUR UN MEME CANAL ET PROVENANT DE STATIONS AYANT DES EMPLACEMENTS DIFFERENTS L'invention concerne les procédés de radiocommunication entre au moins une station réceptrice munie d'antennes omnidirectionnelles et N stations émettrices (N étant supérieur à 1) équipées chacune d'au moins une antenne, ainsi que les installations permettant de mettre en oeuvre de tels procédés. On connaît déjà des installations dans lesquelles les stations émettrices peuvent transmettre simultanément plusieurs communications sur le même canal, en utilisant un multiplexage qui peut être - à accès multiple à répartition dans le temps (AMRT ou TDMA), mis en oeuvre par exemple dans le système européen GSM, - à accès multiple à répartition de fréquence (AMRF ou FDMA), - à accès multiple à répartition en codes (AMRC ou CDMA). Ainsi il est possible d'affecter un même canal à un nombre K (supérieur à 1) de communications. On sait par ailleurs qu'il est possible d'éliminer, à la réception, la contribution d'un brouilleur situé dans une orientation déterminée par rapport à la station réceptrice, en munissant cette station de deux antennes omnidirectionnelles (ayant des lobes de réception qui sont circulaires en plan) qui sont séparées de /2 ( étant la longueur d'onde du brouilleur). En champ libre, c'est-à-dire lorsqu'il existe un seul trajet de l'émetteur vers le récepteur, on élimine alors la contribution du brouilleur si les deux antennes sont alignées avec le brouilleur et si on fait la somme des deux signaux reçus. En d'autres termes, on constitue un diagramme global d'antenne présentant un zéro vers le brouilleur. La présente invention vise à augmenter encore la capacité d'une installation à accès multiple en faisant passer plusieurs communications, provenant de stations émettrices différentes, sur la même ressource - mêmes intervalles de temps et même fréquence en TDMA et FDMA, - même fréquence et même code au même instant en CDMA. L'invention propose dans ce but un procédé suivant lequel, pour discriminer à la réception N communications provenant de N stations situées à des emplacements différents et synchronisées, c ' est-à-dire dont les symboles conservent une disposition immuable dans le temps - on munit la station de réception de M antennes décalées les unes par rapport aux autres d'au moins h/2, M étant au moins égal à N, - on détermine les fonctions de transfert ou réponses des différents canaux vers les M antennes, par exemple sous forme des coefficients d'un filtre linéaire transverse équivalent, - on détecte les signaux individuels reçus par les différentes antennes, - et on estime les signaux d'origine par combinaison des signaux reçus et application des fonctions de transfert. On réalise ainsi une technique de multiplexage qu'on peut qualifier à accès multiple à répartition dans l'espace, s'ajoutant aux autres modes de multiplexage. Cette technique est très différente de l'élimination d'un brouilleur où on se contente, en jouant sur la phase relative de deux signaux, d'éliminer les émissions provenant d'une direction donnée. La mise en oeuvre de l'invention implique de mettre en oeuvre des fonctions de transfert intervenant sur la phase et sur l'amplitude des différents signaux reçus. On peut considérer qu'on synthétise ainsi, pour chaque émission à discriminer, un diagramme d'antenne approprié présentant des zéros vers toutes les stations autres que celle de l'émission. Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, les antennes sont séparées les unes des autres d'à peu près W/2. Au-dessous de W/2, il n'est pas possible d'éliminer totalement la contribution des stations autres que celle que l'on souhaite recevoir, ce qui conduira en conséquence à ne pas descendre notablement au-dessous de W/2. Au-delà de k/2, le diagramme d'antenne se complique et plusieurs lobes apparaissent et favorisent plusieurs directions de l'espace et non plus une seule. Dans la pratique, il est irréaliste d'espacer les antennes de plus de cinq X, ce qui correspond à dix lobes. Le procédé est applicable même en cas de trajets multiples, puisque qu'on détermine la fonction de transfert du canal au lieu de se fonder sur des considérations géométriques. I1 est même applicable dans le cas de transmission sur un canal de Rayleigh, à condition de ré-évaluer la fonction de transfert des différents canaux à une cadence suffisamment élevée. Le procédé est notamment applicable à la liaison montante (de la station mobile vers la station de base) d'un système GSM. La réponse du canal doit alors être évaluée fréquemment, ce qui peut être fait en utilisant la séquence d'apprentissage prévue par la norme GSM. La synchronisation requise peut être commandée par la station de base : lors de l'établissement de la liaison, la station de base détermine le retard d'une station mobile par rapport à une autre émission prise comme référence et transmet à la station mobile une indication sur la durée du décalage nécessaire pour que la station de base puisse discriminer l'émission de la station mobile dans les meilleures conditions possibles. Notamment dans le cas d'un système GSM, la station de base constituant station de réception peut vérifier en permanence la qualité des différents canaux et, lorsque la qualité devient mauvaise, provoquer le transfert d'une communication d'un canal sur un autre canal, c'est-à-dire sur une autre tranche de temps ou une autre fréquence en TDMA. I1 pourrait en être de même avec d'autres modes de multiplexage, en transférant la communication sur une autre fréquence en FDMA, sur un autre mot de code en CDMA. La ressource ainsi libérée peut être occupée immédiatement par une autre communication. Un tel transfert, qu'on peut qualifier de hand-over intracellulaire dans le cas d'un système de téléphonie cellulaire tel que le GSM, permet d'améliorer encore la qualité des communications. Très souvent, la fonction de transfert des différents canaux peut être représentée de façon suffisamment précise sous forme d'un filtre linéaire transverse n' ayant pas plus de cinq coefficients. Les opérations de convolution requises pour l'estimation du signal provenant d'une station d'émission sont alors constituées par des multiplications complexes de matrices de taille 10, qui peuvent sans difficulté majeure être effectuées en temps réel. Les matrices étant pour la plupart des cas connues dès le début d'une communication, les opérations d'inversion ou de transposition de matrices requises peuvent être effectuées une fois pour toutes. L'invention propose également une installation permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comprenant une station de base comportant M antennes omnidirectionnelles et N stations émettrices munies chacune d'au moins une antenne et pouvant être synchronisées entre elles, caractérisée en ce que la station réceptrice comprend : des moyens permettant de déterminer la fonction de transfert des différents canaux de chaque antenne de station d'émission vers chaque antenne de réception ; des moyens de détection des signaux reçus par les différentes antennes de réception ; et des moyens pour effectuer une convolution entre les signaux reçus et les fonctions de transfert, de façon à synthétiser un diagramme d'antenne de réception présentant, pour chaque station d'émission à discriminer, des zéros dans la direction de toutes les autres antennes d'émission. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 montre une répartition possible des antennes de réception et des stations, ainsi que les lobes de deux diagrammes d'antenne possibles - la figure 2 correspond au cas de deux antennes de récepteur séparées de k/2 ; et - la figure 3 indique les notations utilisées dans les algorithmes d'estimation. On décrira tout d'abord le principe de mise en oeuvre de l'invention en faisant référence à la figure unique qui montre une station émettrice comportant deux antennes désignées par Al et A2 et deux stations émettrices, désignées par M1 et M2, émettant sur le même canal, par exemple sur la même fréquence ou sur la même tranche de temps d'un canal à accès multiple à répartition dans le temps. Par une combinaison appropriée, en amplitude et en phase, des signaux reçus par les deux antennes Al et A2, on peut constituer un diagramme de rayonnement global éliminant l'une des communications, c'est-à-dire présentant, en plan, un zéro dans la direction d'une des stations émettrices. La figure 1 montre, à titre d'exemple, un diagramme en traits pleins éliminant la contribution de la station émettrice M2 et, en tirets, un diagramme éliminant la contribution de la station émettrice M1, dans le cas d'un trajet unique pour chaque communication. Pour que les lobes aient la forme simple montrée schématiquement en figure 1, l'écartement entre les antennes Al et A2 ne doit pas être notablement supérieur à k/2. I1 faut qu'il soit au moins égal à k/2 pour que l'on puisse éliminer complètement la contribution d'une des deux stations émettrices. Dans le cas particulier de deux antennes séparées exactement de k/2 et en propagation libre (c'est-à-dire en l'absence d'obstacles provoquant des trajets multiples), la combinaison est particulièrement simple et permet en particulier de discriminer deux stations situées dans des directions à 90C l'une de l'autre, comme indiqué schématiquement sur la figure 2, où les courbes en traits pleins et en traits mixtes montrent les diagrammes obtenus respectivement par soustraction et par addition des signaux reçus. On constate que, dans la plupart des cas, non seulement on élimine une communication, mais encore on augmente le gain d'antenne pour l'autre communication. Les cas particuliers illustrés en figures 1 et 2 peuvent être généralisés au cas de N stations émettrices et d'une station réceptrice. Pour pouvoir discriminer entre N stations, la station réceptrice doit avoir au moins M = N antennes. On peut alors récupérer les N signaux émis. Pour chaque signal d'ordre i, avec i = 1,..., N que l'on discrimine, on place dans le diagramme de rayonnement N - 1 zéro dans les directions des N - 1 stations émettrices dont on veut éliminer la contribution. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention exige de connaître la réponse de chaque canal de communication, c'est-à-dire en fait la fonction de transfert correspondant à chaque trajet d'une station émettrice vers une des antennes de réception. En cas de propagation en terrain libre et de stations émettrices fixes, ces fonctions de transfert peuvent être déterminée par le calcul à partir de la connaissance de l'emplacement des différentes stations, d'où l'on peut déduire les directions dans lesquelles les stations émettrices émettent vers les stations réceptrices. Mais ces directions ne seront en général connues qu'implicitement, par estimation de la réponse du canal, d'où on déduit le déphasage, donc la différence de marche, et la direction équivalente d'émission. En conséquence, la mise en oeuvre du procédé selon l'invention impliquera en général, dans la pratique, deux étapes successives - la détermination des fonctions de transfert ou réponses des différents canaux - la détection des signaux individuels et leur combinaison par une opération que l'on peut assimiler à un filtrage, suivie du décodage. Pour simplifier, on considèrera uniquement le cas de deux stations émettrices, qui peuvent être des mobiles M1 et M2, émettant vers une station de base possédant deux antennes de réception A1 et A2 (figure 2). Le procédé impliquera alors successivement - l'estimation des fonctions de transfert des différents canaux hall, hl2, h2l, h22 indiquées sur la figure 3 - l'estimation des signaux d'origine, qu'on désignera également par M1 et M2, à partir des fonctions de transfert ainsi déterminées et des signaux reçus, qu'on désignera également par A1 et A2. Une première combinaison de signaux permet d'éliminer la contribution du mobile M2. h22 * A1 - h21 * A2 = (h22 * h11 - h2l * ho2 ) * M1 (1) Une seconde combinaison permet d'éliminer la contribution de M1 h1l * A2 - ho2 * A1 = (h22 * h11 - h2l * hl2) * M2 (2) Dans les formules ci-dessus, le signe "*" représente l'opération de convolution complexe. Au cours de la seconde opération, la discrimination peut s'effectuer en séquences dans la station réceptrice S la contribution du Nième signal est éliminée sur les N - 1 premiers signaux reçus. Puis on élimine, sur les N - 1 signaux ainsi obtenus qui ne dépendent plus que des N - 1 premiers signaux émis, la contribution du (N - I)ème signal émis sur les N - 2 communications restantes. On obtient ainsi N - 2 signaux décorrélés des signaux d'ordre N - 1 et N. Finalement, par répétition de la même démarche, on obtient un signal contenant uniquement la contribution du premier signal émis, décorrélée des N - 1 signaux. Les N - 1 autres communications sont récupérées de la même façon. Comme on l'a indiqué plus haut, l'estimation de la réponse du canal est nécessaire pour récupérer les signaux. Elle peut s'effectuer par divers procédés. Une solution particulièrement simple consiste à utiliser la séquence d'apprentissage chaque fois qu'une telle séquence est prévue dans les messages. En principe une seule séquence suffit dans le cas où les stations émettrices sont fixes. Dans le cas de stations mobiles, les réponses doivent être ré-évaluées périodiquement, ce qui est notamment possible lorsque chaque communication s'effectue par trames successives ayant chacune une séquence d'apprentissage, qui contient souvent un mot de synchronisation. On supposera par la suite que les séquences reçues sont synchrones, de façon inhérente rendues telles au cours d'une opération préliminaire de mise en synchronisme qui peut être effectuée par une gestion d'avance de phase, constituée par exemple par l'envoi d'une instruction de la station S aux stations M1, M2,... lors de l'établissement d'une communication. Les réponses de canal hall, hl2, h2l et h22 peuvent être estimées en recherchant le minimum de la différence entre les signaux A1 et A2 respectivement reçus par les deux antennes et les combinaisons linéaires qui les représentent, à partir de fonctions de transfert particulières, c'est-àdire en minimisant, pour l'antenne A, et pour A2 Dans le cas de M antennes, la formule (3) deviendrait Ces opérations peuvent s'effectuer par un calcul matriciel sur les signaux M qui sont connus à priori. Si Ls est la longueur de la séquence d'apprentissage et Lr est la longueur de la réponse de canal à estimer (longueur choisie en fonction du nombre de trajets pris en considération, et d'autant plus élevée que la transmission est perturbée par des obstacles), on utilisera en général uniquement L = Ls - Lr bits de la séquence de synchronisation pour ne pas prendre en compte des bits de la séquence de synchronisation perturbés par les bits d'information qui les précèdent. Les vecteurs représentatifs des signaux A1 et A2 peuvent être représentés par des matrices à L colonnes et une seule ligne, correspondant à L échantillons de la séquence de synchronisation. Les vecteurs de coefficients h1l, h12, h21 et h22 sont représentés par des matrices colonne à Lr lignes, qui correspondent aux Lr trajets pris en considération.Les matrices représentatives des signaux émis reconstituées à partir des signaux reçus sont de taille (L, Lr) et sont de la forme Minimiser les équations (3) et (4) revient à minimiser, au sens des moindres carrés, A1 - M.H1 et A2 - M.H2 où M =F(M1)(M2)] La résolution de ce problème est classique ; on a h1 = (Mt.M)î.Mt.A1 (5) h2 = (Mt.M)î.Mt.A2 Les opérations à effectuer sont des transpositions et inversions de matrices (l'exposant t indiquant une matrice transposée et conjuguée), et des multiplications de matrices. Les matrices mises en oeuvre n'ont pas une taille élevée : même dans le cas de transmission perturbée, une réponse de canal de longueur 5 est suffisante. Cette longueur est adoptée dans le cas du GSM. Du fait qu'il s'agit de multiplications complexes, les matrices ont alors une taille de 10 x 10. Ces matrices peuvent être transposées ou inversées a priori, car les mots de code utilisés sur les deux communications sont connus de la station de base S. Dans le cas de trajet simple, les vecteurs h1l, h12, h21 et h22 se réduisent à des coefficients complexes portant sur l'amplitude et la phase du signal. Le problème se réduit alors à la résolution d'un système d'équation et n'exige que des moyens de traitement de signal simples. Une fois les signaux provenant des diverses stations émettrices M1, M2,... reconstitués, il reste à les démoduler. Etant donné que l'on dispose de toutes les informations concernant une station émettrice, débarrassées de la contribution des autres, on peut utiliser des modes de démodula tion bien connus. Dans le cas de trajet simple, on peut utiliser les modes de démodulation classiques Dans le cas de trajets multiples, on utilisera une démodulation acceptant un nombre de trajets double de celui qui a été pris en considération, c'est-à-dire admettant une durée d'étalement des signaux deux fois plus grande. I1 existe des techniques de démodulation répondant à cette condition. On peut citer par exemple les modes de démodulation à maximum de vraisemblance, tel que le treillis de Viterbi. On peut également utiliser une démodulation avec égalisation adaptative, mettant en oeuvre un filtre transverse et éventuellement récursif. Les dimensions de matrices à mettre en oeuvre augmentent rapidement avec le nombre des stations émettrices partageant la même ressource de la station réceptrice et, dans la pratique, le volume de calcul requis devient excessif dès que N dépasse 3 ou 4, suivant le nombre de coefficients de la fonction de transfert. En revanche, dans le cas de trajet simple où les vecteurs se réduisent à des coefficients complexes, le procédé suivant l'invention est susceptible de s'appliquer pour des valeurs de N supérieures à 4. Le procédé suivant l'invention ne permet de discriminer que des stations émettrices qui ne sont pas alignées avec la station réceptrice. Or, dans le cas de communication avec des stations émettrices mobiles, ces dernières peuvent se rapprocher jusqu'à ce qu'elles soient vues par la station de base dans la même direction. I1 y alors détérioration de la communication. Une solution pour résoudre le problème consiste à changer alors la ressource du canal affecté à une des deux stations mobiles. Suivant le type d'accès multiple, on changera la fréquence, la tranche de temps affectée ou le code. Dans le cas d'un système de radiotéléphonie cellulaire, on peut également affecter l'un des mobiles à une autre station de base, c'est-à-dire effectuer une opération connue sous le nom de hand-over extra cellulaire. La ressource libérée peut être immédiatement utilisée pour établir une communication avec une autre station mobile. Le changement de ressource peut s'effectuer lorsque la dégradation du signal devient excessive. Différents critères existent pour mesurer la qualité des communications, par exemple - analyse du rapport signal à bruit, calculé par exemple à partir de la séquence d'apprentissage, ou à partir d'une comparaison entre l'énergie de la réponse de canal et de celle du signal reçu - analyse de la qualité obtenue à partir de procédures à plus haut niveau, tel que le taux de rejet sur les couches de niveau ISO supérieures ou égales à 2 - utilisation des résultats du décodage, dans le cas où les messages transmis comportent un codage par bloc ou convolutionnel de détection d'erreur. Quelle que soit la solution adoptée, on voit que l'on fait passer de K à K.N la capacité maximale en réception d'une installation ayant K ressources au niveau de la station réceptrice. REVENDICATIONS 1. Procédé de radiocommunication à multiplexage à accès multiple entre au moins une station réceptrice munie d'antennes omnidirectionnelles et N stations émettrices équipées chacune au moins d'une antenne, caractérisé en ce que on munit la station de réception de M des dites antennes omnidirectionnelles et on les décale les unes par rapport aux autres d'au moins k/2, M-étant au moins égal à N; on détermine les fonctions de transfert ou réponses (h1l, h12, h21, h22) des différents canaux ; on détecte les signaux individuels reçus par les différentes antennes et on estime les signaux d'origine par combinaison des signaux reçus et application des dites fonctions de transfert. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre les antennes est à peu près égale à k/2. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance entre antennes ne dépasse par 5 k. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les fonctions de transfert sont définies sous forme d'un filtre linéaire transverse équivalent. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, dans le cas de N stations émettrices utilisant la même ressource, on obtient un signal contenant uniquement la contribution du signal d'ordre 1 en éliminant d'abord la contribution du Nième signal, puis du N - Unième signal et ainsi de suite, et on répète le procédé pour récupérer toutes les communications. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préalable de synchronisation forcée par détermination, par la station réceptrice, du retard d'une station émettrice par rapport à une autre émission prise comme référence et transmission à la station émettrice d'une indication sur la durée du décalage nécessaire. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on vérifie en permanence, à la station de réception, la qualité des différents canaux et, lorsque la qualité devient mauvaise, on provoque le transfert d'une communication d'un canal sur un autre canal. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la transmission s'effectuant par trames ayant des séquences d'apprentissage, les fonctions de transfert des canaux sont estimées en numérisant les différences entre les signaux reçus et la somme de produits matriciels qui les représentent pour des fonctions de transfert supposées et les signaux connus des dites séquences. 9. Installation de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ayant une station de base comportant M antennes omnidirectionnelles et N stations émettrices munies chacune d'au moins une antenne et pouvant être synchronisées entre elles, caractérisée en ce que la station réceptrice comprend : des moyens permettant de déterminer la fonction de transfert des différents canaux de chaque antenne de station d'émission vers chaque antenne de réception ; des moyens de détection des signaux reçus par les différentes antennes de réception ; et des moyens pour effectuer une convolution entre les signaux reçus et les fonctions de transfert, de façon à synthétiser un diagramme d'antenne de réception présentant, pour chaque station d'émission à discriminer, des zéros dans la direction de toutes les autres antennes d'émission.