Brevet FR2828031A1 — publié le 20030131

STATION DE BASE DE RADIOCOMMUNICATION A DIAGRAMME DE RAYONNEMENT VARIABLE La présente invention a pour objet la transmission de signaux entre deux émetteurs-récepteurs distants l'un de l'autre. Elle concerne plus particulièrement l'émission et la réception de signaux par une station de base reliée par radio à des terminaux de radiocommunication. Il est connu que la communication par radio entre une station de base et un terminal, pouvant être un terminal mobile, est sujette à des phénomènes perturbateurs de la transmission radio entre l'antenne de la station de base et l'antenne du terminal mobile, notamment à des évanouissements de canal ( fading ), dus aux interférences destructives entre des signaux qui suivent des chemins de propagation différents entre la station de base et le terminal. La diversité de l'un des caractères liés à cette transmission est l'une des méthodes développées pour pallier le fading. Ainsi sont utilisées la diversité de réception, consistant à recevoir le signal simultanément sur deux antennes, la diversité d'émission, consistant à équiper la station de base de plusieurs antennes émettant les mêmes signaux, la diversité de polarisation, la diversité de fréquence (voir par exemple l'ouvrage Réseaux GSM de X. Lagrange et al., éditions Hermes Science Publications, 2000, page 161), etc. Il est connu d'utiliser des antennes comportant des dispositifs d'ajustement du diagramme de rayonnement. De tels réglages portent par exemple sur la direction d'émission de l'antenne ou la largeur du lobe principal d'émission. Ces ajustements du diagramme de rayonnement peuvent être mécaniques, tels que l'orientation d'une antenne disposée sur un support articulé, mixtes électriques-mécaniques (cf. brevet US 6,198, 458), ou encore purement électroniques, comme dans FR-A-2 792 116. La plupart des antennes à guidage électronique de faisceau sont composées de plusieurs éléments d'antenne alimentés individuellement par des signaux obtenus par déphasage d'un signal initial. La valeur du déphasage est déterminée en fonction de l'élément d'antenne auquel est adressé le signal déphasé, et la direction d'émission par l'antenne résulte de la combinaison des signaux déphasés les uns par rapport aux autres émis par tous les éléments d'antenne. De telles antennes sont parfois utilisées pour focaliser un faisceau radio destiné à un terminal particulier. Dans une réalisation typique, les composantes d'un signal radio montant émis par le terminal, captées par les différents éléments d'antenne, sont analysées en terme de déphasages afin d'estimer une direction de l'espace d'où provient ce signal montant. Des déphasages correspondants sont alors appliqués au signal descendant destiné à ce terminal afin que son émission soit orientée dans cette direction. Un tel guidage électronique de faisceau permet des réductions importantes de niveau d'interférence. Il est surtout utilisé dans des antennes de satellites. Il a toutefois été proposé de l'utiliser dans des systèmes terrestres en dépit de sa mise en oeuvre complexe et coûteuse. Un but de la présente invention est de proposer un nouveau mode de diversité radio au niveau d'une station de base. La présente invention a pour objet une station de base comprenant au moins une antenne d'émission composée de plusieurs éléments rayonnants, des moyens de production d'au moins un signal radio à émettre vers un terminal destinataire situé à portée de la station de base, des moyens d'adaptation de phase pour adresser aux éléments rayonnants de l'antenne d'émission, avec des déphasages respectifs, les signaux radio issus des moyens de production, et des moyens de contrôle d'un diagramme de rayonnement de l'antenne d'émission par ajustement desdits déphasages, caractérisée en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier dans le temps lesdits déphasages de manière indépendante des terminaux destinataires. La présente invention propose donc un mécanisme de diversité fondé sur la transmission de séquences du signal radio selon des chemins de propagation différents entre la station de base et le terminal, et qui est applicable avec une seule antenne d'émission. La modification du diagramme de rayonnement provoque des variations entre les chemins de propagation suivis par des séquences successives du signal, évitant ainsi que la transmission de toutes les séquences ne puissent être perturbées de façon identique. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens d'adaptation de phase et les moyens de contrôle du diagramme de rayonnement sont de nature entièrement électronique et permettent un ajustement numérique du déphasage du signal émis par chaque élément rayonnant. Un tel traitement des déphasages procure en effet des possibilités d'ajustement des déphasages supérieures à celles de systèmes incorporant des parties électromécaniques, ainsi que des variations particulièrement rapides desdits déphasages. Les modifications du diagramme de rayonnement de l'antenne engendrées par les variations des déphasages sont déterminées selon une séquence préalablement fixée. Les configurations successives du diagramme peuvent par exemple être adaptées en fonction de la topographie de la zone géographique couverte par l'antenne, privilégiant en particulier des directions d'émission selon lesquelles la transmission des signaux est particulièrement efficace. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, les moyens de contrôle sont agencés pour faire varier les déphasages de façon à modifier le diagramme de rayonnement de l'antenne par sauts discrets, par exemple entre deux directions d'émission prédéterminées. Les modifications du diagramme de rayonnement peuvent résulter de l'exécution d'un programme dédié à cet effet, commandant ces modifications sous forme de séquences itératives, ou utilisant un procédé aléatoire. Le programme peut en outre comporter certains paramètres adaptables par l'opérateur de la station de base. Le même principe de diversité s'applique à la réception par la station de base des signaux radio émis par les terminaux mobiles distants. Pendant la réception du signal, on modifie un diagramme de réception de l'antenne, par exemple une direction de réception, de façon à recevoir un signal radio complet sous forme de séquences de signal qui ont suivi des chemins de propagation différents entre le terminal et la station de base. En général, l'antenne d'émission d'une station de base est aussi utilisée pour la réception de signaux par cette station. De même, une partie des dispositifs de traitement du signal associés à l'antenne sont communs à l'émission et à la réception. Il est par conséquent entendu, dans le cadre de la présente invention, que les mécanismes décrits concernant l'émission d'un signal avec une diversité obtenue par modification du diagramme de rayonnement de l'antenne peuvent être appliqués, par simple transposition, à la réception de signaux avec une diversité correspondant à la modification du diagramme de réception de l'antenne. De plus, certains composants utilisés pour modifier le diagramme de rayonnement, notamment les moyens d'adaptation de phase et les moyens de contrôle du diagramme de rayonnement peuvent être aussi utilisés lors de la réception. Dans un mode de fonctionnement préféré, le diagramme de réception reproduit a priori les variations du diagramme d'émission, cependant, la capacité des algorithmes de traitement des signaux en réception permet d'en modifier ou d'en transformer à volonté les caractéristiques de façon à le rendre différent si nécessaire. L'invention concerne donc aussi une station de base comprenant au moins une antenne de réception composée de plusieurs éléments d'antenne, des moyens de traitement d'au moins un signal reçu de la part d'au moins un terminal émetteur situé à portée de la station de base, des moyens d'adaptation de phase pour transmettre aux moyens de traitement, avec des déphasages respectifs, des composantes de signal radio issues des éléments d'antenne, et des moyens de contrôle d'un diagramme de réception de l'antenne par ajustement desdits déphasages, caractérisée en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier dans le temps lesdits déphasages de manière indépendante des terminaux émetteurs. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation et de mise en oeuvre non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente un système de coordonnées sphériques permettant de caractériser le diagramme de rayonnement de l'antenne d'une station de base ; - la figure 2 illustre un mode de réalisation du dispositif utilisé pour commander les modifications du diagramme de rayonnement de l'antenne ; et - la figure 3 illustre un mode de réalisation du dispositif utilisé pour commander les modifications du diagramme de réception de l'antenne. Sur la figure 1, la station de base 100 émet au moyen de l'antenne 1 un signal radio destiné à des terminaux 200 situés à portée de cette antenne. L'antenne 1 est constituée d'éléments rayonnants 2 juxtaposés. Tous ces éléments rayonnants 2 sont fixes par rapport au support de l'antenne 101, et orientés face au secteur géographique destiné à être desservi par l'antenne. Le diagramme de rayonnement de l'antenne est généralement constitué d'un lobe principal, correspondant au secteur angulaire à l'intérieur duquel la puissance de rayonnement est supérieure à une valeur fixée, et limité selon l'éloignement par rapport à l'antenne par la réduction de puissance liée à la propagation du rayonnement. L'axe de ce lobe principal correspond à la direction D d'émission de l'antenne 1. La direction D d'émission peut être repérée par un système de coordonnées sphériques ayant pour pôle le centre 0 de l'antenne 1. Ces coordonnées comprennent par exemple l'angle d'élévation de la direction d'émission D par rapport à un plan horizontal contenant le point 0, et l'angle d'azimut entre la projection de la direction D sur le plan horizontal et un axe R de référence contenu dans ce plan, par exemple orienté perpendiculairement au groupement d'éléments rayonnants et passant par le point O. Les modifications du diagramme de rayonnement de l'antenne 1 sont alors repérées par l'évolution des angles d'élévation et d'azimut. Ainsi, une modification de la direction d'émission D de l'antenne comprise dans un plan vertical correspond à un changement de l'angle d'élévation. Une modification comprise dans un plan horizontal correspond à un changement de l'angle d'azimut. Dans une réalisation typique de l'invention, la variation du diagramme de rayonnement, réalisée collectivement pour tous les terminaux indépendamment de leur localisation, porte essentiellement sur l'angle d'élévation. Cependant, il est possible de faire varier aussi l'angle d'azimut ou une combinaison de ces deux angles. Dans la plupart des systèmes de radiocommunication numérique, les signaux sont émis après application d'un codage de canal et d'un entrelacement. Le codage de canal ajoute de la redondance aux symboles du signal numérique, avec une structure permettant au récepteur de détecter et corriger les erreurs de transmission. Les codes habituellement employés ont des performances optimales lorsque les erreurs survenant au cours de la transmission sont décorrélées. L'entrelacement consiste en une permutation des symboles destinée à tendre vers cette condition de décorrélation alors que les erreurs de transmission sur une interface radio ont plutôt tendance à survenir par paquets à cause du phénomène de fading. La permutation de l'entrelacement porte sur une certaine durée (d'une à quelques dizaines de millisecondes) choisie pour réaliser un compromis entre les performances du décodeur et le retard de traitement qu'implique l'entrelaceur. Cette durée d'entrelacement peut varier d'un canal à un autre, comme par exemple dans le cas d'un système UMTS ( Universal Mobile Telecommunication System ) où elle est de 10 à 80 ms. Afin d'optimiser l'efficacité de la diversité créée par variation du diagramme de rayonnement de l'antenne 1, il est avantageux que ces variations soient effectuées selon une fréquence de l'ordre de, et de préférence supérieure à l'inverse de la durée d'entrelacement. Ainsi, dans le cas d'un système UMTS, la fréquence de variation est avantageusement égale ou supérieure à 100 Hz. La figure 2 montre schématiquement un exemple de réalisation des moyens employés par la station de base pour générer la diversité par variation du diagramme de rayonnement de l'antenne 1. Chaque composante de signal, destinée à un terminal particulier 200 ou appartenant à un canal commun, est produite par une voie de traitement comprenant un codeur de canal 3, un entrelacer 4, un modulateur 5, puis un module d'ajustement de puissance 6. Les composantes de signal délivrées par les différentes voies de traitement sont ensuite combinées par une unité de multiplexage 7 dans un signal en bande de base S délivré à l'étage d'émission radio. Dans cet étage radio, un séparateur 8 reproduit le signal S sur chaque voie d'émission correspondant à un élément rayonnant 2 de l'antenne 1. L'unité de déphasage 9 applique alors au signal de chaque voie d'émission un déphasage respectif Di, 02,...., UN. Chaque déphasage est déterminé par la position dans l'antenne 1 de l'élément rayonnant 2, et dépend de la direction d'émission de l'antenne 1 commandée par le contrôleur de diagramme de rayonnement 10. FR-A-2 792 116 décrit un exemple de dispositif d'adaptation de phase utilisable en tant qu'unité de déphasage 9. L'étage radio assure ensuite les opérations classiques de filtrage, de conversion en analogique 11, de transposition sur la fréquence porteuse 12 et d'amplification de puissance 13 à partir des signaux délivrés par l'unité de déphasage 9. Chaque élément rayonnant 2 reçoit alors de l'amplificateur 13 qui lui est associé, par l'intermédiaire d'un duplexeur 14, le signal déphasé correspondant à sa voie d'émission. L'unité de déphasage 9 peut aussi effectuer une pondération de l'amplitude du signal correspondant à chaque voie d'émission. De façon connue du spécialiste des transmissions radio, une telle pondération permet de modifier une largeur du diagramme de rayonnement par ajustement des amplitudes des signaux émis par chaque élément rayonnant 2. Ainsi, pendant l'émission du signal par l'antenne 1, l'ouverture angulaire du diagramme de rayonnement peut être modifiée simultanément à la direction d'émission D afin d'augmenter l'efficacité de la création de diversité selon l'invention. La figure 3 montre, de façon analogue à la figure 2, un exemple de moyens utilisables pour la création de la diversité par variation du diagramme de réception de l'antenne lors de la réception de signaux radio par une station de base. L'antenne de réception 1, composée des éléments d'antenne 2, reçoit des signaux radio émis par des terminaux mobiles 200. Chaque composante de signal reçue par un élément d'antenne est adressée à la voie de réception associée à cet élément d'antenne 2. Cette voie comprend, en aval du duplexeur 14 et d'éléments de filtrage non représentés, un amplificateur à bas bruit 13a, un transposeur de fréquence 12a et un convertisseur analogiquenumérique 11 a qui délivre la composante de signal à l'unité de déphasage 9a. Cette unité de déphasage 9a opère une compensation des déphasages, entre les signaux de chaque voie de réception de façon à les synchroniser à l'entrée de l'unité de combinaison 8a. Cette compensation des déphasages est régie par le contrôleur 10 en fonction du réglage variable du diagramme de réception de l'antenne 1. L'unité de combinaison 8a regroupe alors en un seul signal S le composantes de signal issues de toutes les voies de réception et fournit ce signal S'au démultiplexeur 7a. Ce dernier sépare dans le signal S'les contributions correspondant à des terminaux émetteurs 200 différents, et les adresse respectivement à des voies de traitement distinctes. Chacune de ces voies comprend ensuite un démodulateur 5a et tous les composants usuels nécessaires pour extraire l'information utile du signal reçu. Dans une réalisation préférée de l'invention, la variation dans le temps du diagramme de rayonnement et/ou de réception de l'antenne 1 est effectuée par sauts discrets, de préférence entre deux directions D prédéfinies. Ceci minimise les perturbations causées au processus d'estimation du canal de propagation lorsque le récepteur effectue une démodulation cohérente. La réalisation illustrée par les figures 2 et 3 n'est qu'une illustration d'une mise en oeuvre de l'invention. Dans une autre mise en oeuvre possible, la station de base génère un seul signal radio pour la cellule, auquel les déphasages sont appliqués au moyen de déphaseurs analogiques situés entre le duplexeur et les éléments d'antennes et commandés pour faire varier conjointement les diagrammes de rayonnement et de réception. REVENDICATIONS 1. Station de base (100) comprenant au moins une antenne d'émission (1) composée de plusieurs éléments rayonnants (2), des moyens de production (3-7) d'au moins un signal radio (S) à émettre vers un terminal destinataire (200) situé à portée de la station de base, des moyens d'adaptation de phase (9) pour adresser aux éléments rayonnants de l'antenne d'émission, avec des déphasages respectifs (Di, O2,..., DN), les signaux radio issus des moyens de production, et des moyens de contrôle (10) d'un diagramme de rayonnement de l'antenne d'émission par ajustement desdits déphasages, caractérisée en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier dans le temps lesdits déphasages de manière indépendante des terminaux destinataires. 2. Station de base selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à modifier par sauts discrets le diagramme d'émission de l'antenne. 3. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire varier une direction d'émission (D) de l'antenne dans un plan vertical. 4. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire varier une direction d'émission (D) de l'antenne dans un plan horizontal. 5. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire varier une direction d'émission (D) de l'antenne à la fois dans un plan vertical et dans un plan horizontal. 6. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle sont agencés pour commander les moyens d'adaptation de phase de façon à faire varier une direction d'émission (D) de l'antenne selon une fréquence supérieure à l'inverse d'une durée d'entrelacement des signaux. 7. Station de base selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de contrôle comprennent en outre des moyens pour faire varier dans le temps les amplitudes des signaux respectivement adressés aux éléments rayonnant de l'antenne d'émission de manière indépendante des terminaux destinataires. 8. Station de base (100) comprenant au moins une antenne de réception (1) composée de plusieurs éléments d'antenne (2), des moyens (5a) de traitement d'au moins un signal (S') reçu de la part d'au moins un terminal émetteur (200) situé à portée de la station de base, des moyens d'adaptation de phase (9a) pour transmettre aux moyens de traitement, avec des déphasages respectifs (Di, Ds,.... DN), des composantes de signal radio issues des éléments d'antenne, et des moyens de contrôle (10) d'un diagramme de réception de l'antenne par ajustement desdits déphasages, caractérisée en ce que les moyens de contrôle comprennent des moyens pour faire varier dans le temps lesdits déphasages de manière indépendante des terminaux émetteurs.