Brevet FR2850795A1 — publié le 20040806

La présente invention concerne le domaine des réseaux sans fils à haut débit, plus particulièrement l'utilisation d'une plate-forme volant à haute-altitude ou HAP (pour High Altitude Platform en langue anglaise) utilisée pour assurer une couverture cellulaire d'une zone géographique déterminée. Pour pouvoir utiliser au mieux le spectre des fréquences radio disponibles, il a été proposé, comme alternative aux satellites, d'utiliser une plate-forme volant à une altitude d'environ une vingtaine de kilomètres au-dessus du sol, à savoir une altitude permettant d'échapper i0 aux vents violents de la stratosphère. L'utilisation d'une plate-forme volant à haute-altitude pour des communications multimédia est décrite notamment dans un article intitulé " Providing multimedia communication services from high altitude platforms " publié dans International Journal of Satellite communications 1 5 2001-19 pg 559 à 580. Cet article montre l'intérêt d'une telle plateforme dans le cas d'un système LMDS (Local Multipoint Distribution Systems) par rapport à un système complètement terrestre. Toutefois, il soulève les effets dus au déplacement de la plate-forme lorsque les antennes utilisées sont des antennes fixes ou des antennes orientables. Un exemple d'une solution utilisant des plates-formes volant à hautealtitude telle que proposée par la société Boeing est représenté à titre illustratif sur la figure 1. Dans ce cas, une plate-forme 1 constituée par exemple par un avion de type cargo, vole à une altitude d'environ une vingtaine de kilomètres au-dessus du sol et décrit des courbes, plus 25 spécifiquement des cercles, d'environ un kilomètre de diamètre autour d'un point fixe situé à la verticale de la zone de couverture désirée référencée 2. Dans le cas de la bande Ka, à savoir la bande comprise entre 24 GHz et 29 GHz, plus particulièrement à 28 GHz, le dimensionnement ci-dessus permet de découvrir une zone au sol d'environ 35 km de diamètre, avec une antenne au sol d'environ 20 cm de diamètre sans que cette antenne soit munie de moyens de poursuite. Sur la figure 1, différents types d'antennes, utilisées pour communiquer avec la plate-forme 1, ont été représentés, notamment des 5 antennes reliées à des terminaux utilisateurs ou des antennes connectées à des portails pour les communications Internet. Etant donné le dimensionnement du système mentionné ci-dessus et compte-tenu du mouvement de la plate-forme, l'angle de vue à partir de la plate-forme HAP varie entre environ 3.50 à la verticale de la plate-forme et i0 environl.50 en bordure de zone de couverture. Puisque la plate-forme HAP n'est pas fixe mais décrit une courbe, l'un des principaux problèmes rencontrés lors de l'installation des antennes, notamment lorsque ces antennes ne sont pas munies de moyens de poursuite de la plate-forme, concerne l'alignement de 15 l'antenne avec ladite plate-forme. La présente invention concerne donc une méthode d'alignement d'une antenne, plus particulièrement d'une antenne à faisceaux fixes avec une plate-forme HAP. Cette méthode permet entre autre de minimiser les pertes liées au mouvement de la plate-forme. Elle 20 est de plus d'une mise en oeuvre particulièrement simple et peu coteuse. Selon la présente invention, le procédé d'alignement d'une antenne avec une plate-forme volant à haute-altitude est caractérisé en ce que l'antenne est alignée avec le centre de la courbe décrite par la 25 plateforme. Selon un mode de réalisation préférentiel, après avoir aligné l'antenne en direction de la plate-forme, on détecte une position de l'antenne pour laquelle le niveau de variation du signal reçu reste en dessous d'un seuil. Le seuil est déterminé en fonction des variations de gain en bordure de la zone de couverture. Selon une variante, ce seuil peut être ajustable. D'autre part, selon un mode de réalisation préférentiel, l'antenne est une antenne fixe. La présente invention concerne donc un procédé comportant les étapes suivantes: - ajustement grossier du pointage de l'antenne en direction de la plate- forme en recherchant la puissance maximale reçue par l'antenne puis, - ajustement fin de l'alignement de l'antenne avec le centre de la courbe décrite par la plate-forme en calculant la variation de la puissance résiduelle et en comparant la valeur obtenue à un seuil. De préférence, l'ajustement fin par itération progressive et le calcul de la variation de puissance résiduelle sont réalisés sur un 15 intervalle de temps déterminé qui correspond, de préférence, à un tour de la plateforme. La présente invention concerne aussi un terminal relié à l'antenne, muni de moyens pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Le terminal relié à l'antenne comporte entre autres des moyens de 20 détection de la puissance reçue, des moyens d'analyse de la varia tion des puissances dans le temps et des moyens indiquant que la variation est inférieure à un seuil déterminé. De préférence, la valeur du seuil est stockée dans une table paramétrée en fonction de la position du terminal. D'autre part, ce terminal peut comporter des moyens d'affichage de la 25 variation de puissance dans le temps. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation, cette description étant faite avec référence a ux dessins ci-annexés dans lesquels: Figure 1 est une vue en perspective schématique expliquant le concept dans lequel se place la présente invention. Figure 2 représente schématiquement le diagramme de rayonnement d'une antenne au sol se trouvant à la verticale de la plate5 forme. Figure 3 est un organigramme schématique donnant les principales étapes du procédé d'alignement conforme à la présente invention, et Figure 4 est une vue schématique d'un terminal connecté à 10 l'antenne mettant en oeuvre la présente invention. Sur la figure 2, on a représenté une plate-forme 1 volant à hautealtitude décrivant un cercle c ainsi que, schématiquement en pointillé, le diagramme de rayonnement d'une antenne au sol A se 15 trouvant à la verticale de la plate-forme et le diagramme de rayonnement d'une antenne A' se trouvant en bordure de la zone de couverture. Conformément à la présente invention, les deux antennes A et A' pointent vers le centre p du cercle c décrit par la plate-forme volant à hautealtitude. Dans le cas représenté à la figure 2, l'antenne A se trouve 20 à la verticale de la plate-forme et, en supposant que l'antenne présente un diagramme de rayonnement de révolution dans la direction du maximum, comme représenté sur la figure, le signal reçu sur un canal donné est constant et égal à la valeur maximale qui peut être reçue diminuée de An o An = g(O) - g(O) o 0 représente l'angle de 25 dépointage et g(O), le gain maximal de l'antenne selon l'axe. Lorsque l'antenne ne se trouve pas à la verticale de la plate-forme comme symbolisé par A', le niveau reçu par l'antenne varie, compte-tenu de la variation de l'angle de dépointage de la plate-forme 1 par rapport à la direction du maximum de signal de l'antenne. Il apparaît que ces variations sont minimales quand l'antenne A ou A' est alignée avec le centre p du cercle c décrit par la plate- forme 1. L'utilisation du procédé de la présente invention consistant à aligner l'antenne avec le centre de la courbe décrite par la plate-forme 5 permet dans le cas d'antennes au sol fixes, c'est-à-dire d'antennes dépourvues de moyens de poursuite de la plate-forme, d'utiliser des antennes présentant un diamètre réduit. En effet, comme démontré ciaprès, il n'est pas utile d'augmenter la taille de l'antenne au-delà d'un certain diamètre. On peut montrer que: AN (0) = 1 2(0/0 3db)2 dans lequel 10 O = l'angle de dépointage en degrés et 03db = l'ouverture à 3 dB du faisceau d'antenne en degrés. D'autre part, pour un diamètre d donné, l'ouverture à 3 dB du faisceau d'antenne 03dB et le gain maximum g(O) sont donnés par les formules approximatives ci-après: S 5 3dB 65 S/D, en degrés G - 20 log (WrD/X), en dB Ainsi, dans le cas d'une réalisation telle que décrite dans l'introduction avec la plate-forme volante située à 20 km du sol et décrivant un cercle de diamètre 1 km en couvrant une zone de diamètre 20 de 35 km et dans laquelle l'antenne est alignée avec le centre du cercle décrit par la HAP, les angles de dépointage au centre de la zone et sur le bord, sont respectivement égaux à centre = 1.4 0et 0bord variant entre 0.820 et 0.800. Dans ce cas, on obtient pour différentes valeurs D de diam être d'antenne, les valeurs de gains données dans le tableau 1 suivant. Tableau 1 D 20 cm 30 cm 40 cm G en centre de zone 32 dB 33 dB 32 dB G en bordure de zone 33.3 dB 36 dB 37.2 dB Le tableau ci-dessus montre qu'en milieu de zone de couverture, une antenne de diamètre 20 cm donne un gain équivalent à une antenne de 40 cm. Ainsi, le meilleur compromis entre le diamètre 5 d'antenne et le gain effectif se situe pour une antenne de diamètre compris entre 20 cm et 30 cm,ce qui correspond à un gain compris entre 32 dB et 33 dB. Compte-tenu des fluctuations de l'angle de dépointage obord' les valeurs de gain lors d'un alignement de l'antenne sur le centre du cercle 10 décrit par la plate-forme fluctuent très légèrement, avec une valeur maximale de 0.3 dB qui peut être choisie comme valeur de seuil conformément à la présente invention. On décrira maintenant un mode de réalisation particulier permettant la mise en oeuvre du procédé de la présente invention. La 15 description de ce mode de réalisation sera faite en se ré férant plus particulièrement aux figures 3 et 4. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement un terminal associé à une antenne 10 fixe et alignée avec le centre du cercle décrit par la plate-forme. De manière connue, l'antenne est connectée à un terminal utilisateur constitué de deux sous20 ensembles principaux formés respectivement de l'ODU 1i1 ou " Outdoor Unit " et de l'IDU13 ou " Indoor Unit ". L'ODU est couplée à l'antenne directive 10 et est située en général à l'extérieur d'un bâtiment tandis que l'IDU est située près de l'utilisateur, à l'intérieur du bâtiment. De manière connue, le signal émis par la plate-forme HAP est 25 reçu par le terminal en bande Ka, à savoir autour de 28 GHz. Il est tout d'abord amplifié puis transposé en bande L (compris entre 1 et 2 GHz) avec un gain constant dans l'ODU 11. L'ODU comporte des circuits bien connus de l'homme de l'art, à savoir schématiquement un duplexeur connecté à la voie montante et la voie descendante constituées 30 respectivement pour la voie montante d'un amplificateur AMP, d'un mélangeur et d'un amplificateur HPA et pour la voie descendante d'un amplificateur LNA, d'un mélangeur et d'un amplificateur AMP, les mélangeurs et les amplificateurs des voies montantes et descendantes étant connectés à un même oscillateur local. De manière connue, l'ODU 1 1 est reliée à l'IDU 13 par un câble coaxial 14. Dans l'IDU sont prévus des moyens permettant de mettre en oeuvre le procédé de la présente invention. Ces moyens sont représentés par le circuit grisé 15. De manière conventionnelle, l'IDU comporte aussi, connecté au câble coaxial 14, un duplexeur de manière à 10 connecter audit câble coaxial le générateur de signal à émettre ainsi que le circuit de traitement du signal reçu. Le dispositif pour la mise en oeuvre de la présente invention comporte essentiellement un circuit évaluant la puissance du signal reçu, des circuits de traitement numérique du signal de puissance reçu et de 15 manière optionnelle des circuits d'asservissement et des circuits de commande du moteur permettant de pointer l'antenne vers la plateforme, comme symbolisé par la ligne I de tirets Un mode de réalisation plus précis du dispositif permettant d'aligner l'antenne avec la plate-forme et mettant en oeuvre la présente 20 invention est représenté sur la figure 3. Le circuit de la figure 3 comporte donc un détecteur 150 de puissance reçue, un circuit de numérisation 151 du signal issu du détecteur de la puissance reçue puis un circuit de traitement 152 qui permet de calculer à partir du signal numérisé, l'évolution de la puissance reçue pendant un intervalle de temps t qui 25 peut être choisi, selon un mode de réalisation, égal à un tour de révolution de la plate- forme. De manière optionnelle, le dispositif peut comporter un système d'affichage 153 permettant de r eprésenter l'évolution de la puissance résiduelle et qui peut être constitué par un système de type Bargraph. De plus, le signal issu du circuit 1 52 peut être connecté à un dispositif d'asservissement optionnel et est envoyé vers les commandes de moteurs de l'antenne. D'autre part, conformément à la présente invention, le signal issu du circuit 152 est comparé à un seuil mémorisé correspondant à la 5 valeur maximale de la variation de puissance résiduelle. Cette valeur de seuil est stockée dans une table et est fonction de la position du terminal dans la zone de couverture. Le signal issu du comparateur 155 est envoyé sur un dispositif de signalisation 156 tel qu'une diode électroluminescente ou tout moyen de signalisation. On expliquera maintenant les différentes étapes mises en oeuvre en utilisant le dispositif décrit avec référence à la figure 4. Lors de la mise en oeuvre du système, l'opérateur réalise tout d'abord un ajustement grossier du pointage de l'antenne en direction de la plateforme en recherchant la puissance maximale reçue par l'antenne. 15 Ensuite, l'opérateur affine le pointage de l'antenne du terminal sur le centre du cercle décrit par la plate-forme HAP et ceci par itérations successives. Pour chaque tentative de pointage, on calcule la variatio n de puissance résiduelle pendant un tour de HAP. La valeur calculée est comparée à la valeur théorique stockée dans la table paramétrée et 20 lorsque la valeur de la variation résiduelle de la puissance du signal reçu est inférieure au seuil prédéfini dans cette table, un indicateur est alors actionné par l'IDU 11 pour indiquer que le pointage est correct. A titre d'exemple, dans le cas d'un HAP positionné tel que décrit cidessus, se déplaçant à une vitesse constante de 400 km par heure avec un rayon 25 d'évolution r de 600 m, le temps pour la période d'analyse sera de 33.9 secondes. Différentes variantes peuvent être utilisées pour implémenter le procédé de la présente invention. On peut utiliser, par exemple, à la place de l'IDU utilisateur 11 décrit avec référence à la figure 4, un IDU 30 d'installation simplifiée qui se connecte directement à l'ODU par un câble coaxial et qui permet de faciliter le pointage précis de l'antenne lorsque celle-ci est localisée sur le toit d'une habitation. D'autre part, le procédé de la présente invention permet de mettre en place un contrôle automatique du pointage d'antenne réalisé 5 périodiquement avec un asservissement du pointage de l'antenne par commande électrique de moteurs. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'alignement d'au moins une antenne au sol se trouvant dans une zone de couverture donnée avec une plate-forme 5 volant à hautealtitude (HAP), caractérisé en ce que l'antenne (A ou A") est alignée avec le centre (p) de la courbe t décrite par la plate -forme. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après avoir aligné l'antenne en direction de la plate-forme, on détecte i0 une position de l'antenne pour laquelle le niveau de variation du signal reçu reste en dessous d'un seuil. 3 - Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le seuil est déterminé en fonction des variations de gain en bordure 15 de la zone de couverture. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le seuil est ajustable. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'antenne est une antenne fixe. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - ajustement grossier du pointage de l'antenne en direction de la plate- forme en recherchant la puissance maximale reçue par l'antenne, - puis ajustement fin de l'alignement de l'antenne avec le centre de la courbe décrite par la plate-forme en calculant la variation de la puissance résiduelle et en comparant la valeur obtenue à un seuil. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ajustement fin est réalisé par itérations successives. 8 - Procédé selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le calcul de la variation de puissance résiduelle est réalisé sur un intervalle de temps déterminé. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'intervalle de temps correspond à un tour de la plate-forme. 10 - Terminal relié à l'antenne pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte de plus des moyens de détection de la puissance reçue (150), des moyens d'analyse de la variation de puissance dans le temps (152) et des moyens indiquant que la variation est inférieure à un seuil 15 déterminé (I1 55). 11 - Terminal selon la revendication 10, caractérisé en ce que la valeur du seuil est stockée dans une table paramétrée en fonction de la position du terminal. 12 - Terminal selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'affichage de la variation de puissance dans le temps (153).