Brevet FR2815793A1 — publié le 20020426

PROCEDE DE COMMANDE ADAPTATIVE D'UN RESEAU D'ANTENNES Domaine technique et art antérieur La présente invention concerne un procédé de commande adaptative d'un réseau d'antennes. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de commande adaptative d'un réseau d'antennes de récepteur de système de transmission à étalement de spectre par séquence directe (ESSD). La technique d'étalement de spectre par séquence directe consiste, schématiquement, à multiplier un symbole d'information (par exemple un élément binaire) par un code pseudo-aléatoire composé d'une séquence d'éléments appelés"chips". Cette opération a pour effet d'étaler le spectre du signal. En réception, le signal reçu est traité par corrélation (ou filtrage adapté) avec un code pseudo-aléatoire identique à celui de l'émission, ce qui a pour effet de réduire (ou de désétaler) le spectre. Le signal ainsi désétalé est traité pour retrouver le symbole d'information. Cette technique permet à plusieurs utilisateurs d'accéder à un même système de radiocommunications, à condition toutefois qu'ils utilisent des codes distincts. On parle alors d'accès multiple à répartition par les codes, ou AMRC en abrégé. De façon générale, un récepteur de système de transmission comprend soit une antenne unique, soit un réseau d'antennes commandées de manière adaptative en fonction de l'évolution temporelle et spatiale des signaux à recevoir. L'utilisation d'un réseau d'antennes commandées de manière adaptative présente plusieurs avantages, parmi lesquels on peut citer : - une amélioration des performances des systèmes de transmission (par exemple les systèmes cellulaires) et, notamment, une amélioration de leur efficacité et de leur capacité spectrales (la capacité spectrale d'un système de transmission se caractérise par la quantité d'information transmissible dans une bande de fréquences par unité de temps et de surface d'antenne), - la réduction de l'influence des interférences en créant dynamiquement des zéros, dans le diagramme d'antenne, dans la direction des dispositifs interférents, - un filtrage numérique spatio-temporel des signaux arrivant sur le récepteur, - un gain en terme de durée de vie des éventuelles batteries qui alimentent les systèmes et en terme d'encombrement des systèmes (miniaturisation), - une réduction des coûts issus de la meilleure utilisation des ressources à disposition. Pour les applications en téléphonie cellulaire, un certains nombre d'avantages supplémentaires peuvent être identifiés : - la possibilité de gérer des cellules dynamiques, pour lesquelles les frontières peuvent évoluer en fonction de la distribution spatiale des mobiles autour d'une station de base, - une réduction des problèmes liés au passage des mobiles d'une cellule à une autre, en raison de la capacité des stations de base à suivre plus longtemps les mobiles, - à qualité de transmission égale, une diminution du nombre de stations de base nécessaires, limitant ainsi les coûts des infrastructures et les nuisances (visuelle, électromagnétique, etc.). La figure 1 illustre un schéma de principe de dispositif d'adaptation d'un réseau d'antennes dans un contexte multi-utilisateurs. Le réseau d'antennes est constitué de M antennes Al, A2,..., AM. Le signal x (t) qui regroupe les différents signaux issus des M antennes est appliqué sur chaque voie utilisateur j (j=l, 2,..., P) Il s'écrit : x (t) = [xd (t)... XM (t)] T. Pour l'utilisateur de rang j, les différents signaux issus des M antennes sont multipliés par des coefficients de pondération complexes WJi (i=l, 2,..., M) et sommés pour former un signal qui est analysé pour adapter les coefficients de pondération. Une des principales difficultés consiste à identifier les coefficients de pondération W qui permettent de focaliser le diagramme du réseau d'antennes dans la ou les directions d'intérêt. Ces coefficients doivent évoluer au cours du temps en fonction de l'évolution spatio-temporelle, a priori inconnue, des signaux arrivant sur le réseau d'antennes. Ceci nécessite la mise au point de procédés adaptatifs d'identification de coefficients de pondération. Certaines des techniques d'adaptation sont dites supervisées . Un signal de référence connu du récepteur (appelé aussi signal d'apprentissage) est alors envoyé par l'émetteur. Les pondérations sont calculées en minimisant une erreur entre le signal de sortie du réseau, après pondération, et le signal de référence émis. Les techniques supervisées les plus communément utilisées selon l'art connu sont des techniques du type"Moindres Carrés"ou"Moindres Carrés Récursifs"respectivement appelées techniques LMS (LMS pour Least Mean Squares en anglais) et techniques RLS (RLS pour Recursive Mean Squares en anglais). D'autres techniques, dites autodidactes, ou aveugles, ne nécessitent pas de signal de référence. Les techniques aveugles utilisent des propriétés structurelles des signaux. Ces propriétés des signaux peuvent être, par exemple, le module constant du signal, l'alphabet fini des symboles qui constituent le signal, ou encore la cyclostationnarité du signal ; dans ce dernier cas, les versions sous- échantillonnées du signal sont stationnaires. Le critère du module constant consiste à forcer le procédé d'adaptation à trouver des signaux dont le module est constant. Il est très bien adapté pour les signaux de communication dont l'enveloppe est constante, du fait de la modulation de phase qui est utilisée. Une autre propriété intéressante à exploiter est celle de l'alphabet fini des symboles émis. En effet, les modulations numériques employées dans les télécommunications sont des modulations à états discrets. Par exemple la modulation QPSK (QPSK pour Quadrature Phase Shift Keying en anglais) transforme un signal digital en un signal dont la constellation est constituée des quatre états de phase : TC/4, 3jc/4, 5n/4, 7/4. L'exploitation de cette propriété est d'autant plus performante que le nombre d'états de la constellation est limité. Enfin, parmi les propriétés implicites des signaux utilisables par une approche aveugle, on peut également citer la cyclostationnarité. Cette propriété vient du suréchantillonnage du signal. Les approches qui exploitent la cyclostationnarité utilisent des outils algébriques puissants (comme des décompositions en valeurs singulières), difficiles à implanter matériellement. Il existe également des techniques d'adaptation mixtes. Ces techniques sont ainsi appelées car elles sont capables de fonctionner de manière supervisée lorsqu'un signal de référence est disponible et de manière aveugle lorsque ce signal n'est plus transmis. De façon générale, selon l'art antérieur, quelle que soit la technique utilisée, l'identification des jeux de coefficients de pondération est effectuée sur le signal reçu étalé. Il s'ensuit une grande complexité de traitement pour mettre en oeuvre l'adaptation du réseau d'antennes. L'invention ne présente pas cet inconvénient. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne un procédé de réception, par un réseau d'antennes Ai, As,..., An, de signaux étalés spectralement par des séquences d'étalement, chaque séquence d'étalement étant caractéristique d'un utilisateur. Le procédé comprend une étape de désétalement des signaux reçus sur chaque antenne de façon à constituer un ensemble de signaux utilisateur désétalés et, succédant à l'étape de désétalement, pour chacun des signaux utilisateur désétalés, une étape de calcul d'un poids pour réduire un signal d'erreur entre chaque signal utilisateur désétalé et un signal de référence. L'étape de calcul de poids est une étape d'adaptation en gain et en phase du signal utilisateur désétalé. La présente invention s'applique dans le cadre d'un système à accès multiple à répartition par les codes (système AMRC). Les signaux émis sont, à l'émission, étalés spectralement par des codes connus du récepteur. La présente invention propose un procédé d'adaptation autodidacte des coefficients de pondération des antennes pour suivre l'évolution spatio-temporelle des signaux arrivant sur le réseau. L'invention présente les particularités suivantes : - elle est adaptée à des contextes multi-utilisateurs, en nombre éventuellement supérieur au nombre d'antennes, ce qui n'est pas le cas de beaucoup de techniques connues qui ne peuvent souvent traiter qu'un nombre d'utilisateurs inférieur au nombre d'antennes. - elle exploite les propriétés structurelles (comme par exemple le module constant) des signaux transmis, - elle utilise les codes d'embrouillage des divers utilisateurs (transmissions de type ESSD), - elle est économique en terme de complexité de calculs par rapport à l'art antérieur. L'innovation majeure de l'invention réside dans l'introduction d'une étape de déconvolution (ou désétalement) au sein d'une technique de pilotage d'un réseau d'antennes. Avant traitement adaptatif, la sortie de chaque antenne est multipliée par le code de l'utilisateur dont on cherche à reconstruire le signal qui lui est destiné. Une technique d'adaptation de gain et de phase est ensuite appliquée sur le signal résultant. Les pondérations des antennes issues du procédé peuvent être utilisées aussi bien pour des réseaux d'antennes fonctionnant en réception que pour des réseaux d'antennes fonctionnant en émission. Un avantage de l'invention consiste à utiliser les séquences des utilisateurs et à traiter ces séquences directement en sortie de l'opérateur de désétalement. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles : - La figure 1 représente un schéma de principe d'adaptation de réseau d'antennes dans un contexte multi-utilisateurs, --la figure 2 représente un dispositif d'adaptation de réseau d'antennes selon l'invention, - la figure 3 représente une vue de détail du dispositif d'adaptation de réseau d'antennes de la figure 2. Sur toutes les figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Description détaillée d'un mode de mise en oeuvre de l'invention La figure 1 a été décrite précédemment, il est donc inutile d'y revenir. La figure 2 représente un dispositif d'adaptation de réseau d'antennes selon l'invention. Le réseau d'antennes comprend M antennes Al, A2,..., AM. Le signal à l'instant t en sortie des M antennes s'écrit : x (t) = [xl (t) x2 (t).. M (t) F, Xi (t) étant le signal reçu par l'antenne i à l'instant t, la notation x (t) = [xl (t) x2 (t)... xM (t) F représentant le vecteur colonne transposé du vecteur ligne [Xl (t) X2 (t)... XM (t)]. Le signal x (t) est appliqué sur chaque voie utilisateur j (j=l. 2,..., P). Selon l'invention, chaque voie utilisateur j comprend un bloc de désétalement D, et un bloc de calcul de poids Bj. Le bloc de désétalement Dj comprend une fenêtre symbole F, et un opérateur de désétalement DESj. Les P utilisateurs émettent, par exemple, en même temps et les signaux associés sont, par exemple, mono-trajet. Les utilisateurs voient alors leur signal arriver à des instants différents sur les antennes. Ces différents instants d'arrivée seront notés Tj (j=l, 2,..., P) dans la suite de la description. Le signal j (k) issu de la fenêtre symbole Fj (j=l, 2,..., P) et qui contient le (k+l) ième symbole étalé émis par l'utilisateur j est défini par une matrice de taille M x L, où M est le nombre d'antennes sur le réseau et L la longueur de la séquence d'étalement de l'utilisateur j. Il vient : X (k) = tx (li + (k-1) LJ [. (Tj + kL-l) j L'opérateur de désétalement DESj multiplie, la matrice X. (k) avec le vecteur [Cj (l)... Cj (L) p qui =1 représente la séquence d'étalement K, de l'utilisateur j. Il résulte de l'opération de désétalement le vecteur de dimension M suivant, qui représente le signal désétalé reçu sur chaque antenne pour l'utilisateur j : fj (k) = -X (k) [cj (l)... Cj (L)] , L"J où l'exposant D signifie"désétalé". A l'issue de l'étape de désétalement, le signal ~jD (k) issu du bloc Dj à l'instant k est au rythme symbole. Selon l'invention, la mise à jour des poids est donc avantageusement réalisée au rythme symbole. Le bloc de calcul de poids B, calcule le signal utilisateur Sj (k) reconstruit à l'instant k à partir du signal xjD (k) et d'un signal de référence Ref,. Dans le cas d'un traitement aveugle, par exemple un traitement CMA (CMA pour"Constant Modulus Algorithm"), le signal de référence Refj est le signal complexe de sortie normalisé, autrement dit, le signal XjD (k) projeté sur une sphère. Dans le cas d'un traitement piloté par la décision, le signal de référence est la décision prise sur le symbole transmis. Dans le cas d'un traitement supervisé (par exemple de type LMS), le signal de référence est un signal préalablement mémorisé dans le récepteur. Un schéma détaillé d'un bloc de calcul de poids Bj est représenté en figure 3. Un bloc B, comprend un opérateur de produit scalaire 1, un premier multiplicateur 2, un additionneur 3, un opérateur de conjugaison de nombre complexe 4, un second multiplicateur 5, un opérateur de retard 6, un second additionneur 7 et un circuit de décision sur le symbole 8. Pour le bloc Bj, il vient : y (k) = (équation 1) 3 3 L'exposant D représente les signaux désétalés de l'utilisateur à l'instant k et la notation représente l'opération de produit scalaire. yD (k) est le signal précédant la décision J Sj (k). Le calcul du vecteur poids à l'instant k+l s'écrit : Wj (k + 1) = -, (k) + J. x (k). Conj y (k) 1 (équation 2), CMA, DD, LMS où u représente le pas d'adaptation et conj [- y (k) CMA, DD, LMs représente le complexe conjugué de i - y) (k) selon le mode à module constant (mode CMA), le 3 mode piloté par la décision dit"mode DD" (DD pour "Decision Directed"), ou le mode LMS. Le procédé est un procédé itératif (k=k+l). Selon l'invention, le calcul du poids est donc une suite d'opérations simples sur des vecteurs : produit entre un scalaire et un vecteur et différence entre deux vecteurs. Par comparaison, les méthodes mises en oeuvre selon l'art antérieur sont très complexes. Il faut, par exemple, calculer le produit de deux matrices, inverser le résultat issu du produit des deux matrices, multiplier le résultat inversé par une matrice et, enfin, multiplier le résultat ainsi obtenu par un vecteur ligne. Les techniques de l'art antérieur à désétalement-ré-étalement calculent une erreur entre une décision ré-étalée par le code et les signaux arrivant des antennes. Les coefficients de pondération sont alors calculés sur un signal dont le rapport signal à bruit est très faible, ce qui présente un réel inconvénient. Comparativement, les avantages du procédé -. adaptatif selon l'invention sont les suivants : - le procédé selon l'invention s'affranchit d'un mauvais rapport signal à bruit car il ne comprend pas d'étape de ré-étalement, - après le désétalement, le signal qui est traité ne se voit entaché que du bruit thermique des antennes et du bruit d'accès multiple dû au fait que les séquences d'étalement ne sont pas parfaitement orthogonales, - le procédé permet de suivre un nombre quelconque d'utilisateurs, quel que soit le nombre d'antennes dans le réseau. REVENDICATIONS 1. Procédé de réception, par un réseau d'antennes (Ai, A2,..., AM), de signaux étalés spectralement par des séquences d'étalement, chaque séquence d'étalement étant caractéristique d'un utilisateur (j), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de désétalement (DESj) des signaux reçus sur chaque antenne de façon à constituer un ensemble de signaux utilisateur désétalés (Xj) et, succédant à l'étape de désétalement, pour chacun des signaux utilisateur désétalés, une étape de calcul d'un poids (Bj) pour réduire un signal d'erreur entre chaque signal utilisateur désétalé (x ) et un signal de référence (Refj). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de calcul d'un poids est une étape d'adaptation en gain et en phase d'un signal utilisateur désétalé. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le signal de référence (Refj) est un signal complexe de sortie normalisé, ou la décision prise sur le symbole transmis, ou un signal de référence préalablement mémorisé dans le récepteur.