Brevet FR2893203A1 — publié le 20070511

SYSTEME DE COMMUNICATION ULTRA LARGE BANDE A ANTENNE DISPERSIVE PILOTEE EN FREQUENCE L'invention concerne notamment un système de radiocommunication ultra large bande (en abrégé anglo-saxon UWB Ultra Large Bande) basé sur un modem OFDM (acronyme angloûsaxon de Orthogonal Frequency Division Multiplex) à étalement de spectre et une antenne dispersive pilotée en fréquence (en abrégé anglo-saxon FSA Frequency Scan Antenna). Elle s'applique dans le domaine de la radiocommunication courte portée haut débit, de la radio-localisation, principalement en bande millimétrique. La raréfaction du spectre disponible pour les communications pousse à l'utilisation de fréquences de plus en plus élevées. Par ailleurs, devant l'expansion du réseau câblé (ADSL, fibres optiques), un service de radiocommunication se justifiera à l'avenir 15 essentiellement par un besoin de mobilité. La mobilité suppose l'omnidirectionalité du système antennaire. Malheureusement, la taille et donc la sensibilité énergétique d'une antenne omnidirectionnelle décroît avec la fréquence. Les très hautes fréquences sont donc par nature difficilement compatibles avec la mobilité, sauf à 20 renoncer aux antennes omnidirectionnelles pour utiliser des antennes directives, la difficulté étant alors de pouvoir pointer celles-ci dynamiquement et de manière quasi-instantanée. Trois solutions sont actuellement envisageables selon l'état de 25 l'art. L'antenne parabolique motorisée est la solution traditionnelle et bien connue. L'un de ces inconvénients est sa très faible agilité de pointage. Le pointage du faisceau, reposant sur une motorisation mécanique, n'est pas instantané. Elle se réserve à des configurations point à point et peu mobiles. 30 L'antenne à balayage électronique à déphaseur permet le pointage instantané, mais c'est une solution technologiquement difficile et au coût prohibitif. De plus, en configuration point à multipoint, elle impose d'utiliser un protocole à partage de temps de type TDMA (acronyme anglo- saxon de Time Division Multiple Access) qui n'est pas optimal en matière de latence dans le délai de transmission ou en matière d'allocation de puissance. L'antenne dispersive FSA permet également le pointage instantané. C'est une technique éprouvée et à bas coût s'apparentant au prisme en optique. La direction de pointage dépend de la fréquence et la fréquence permet donc de contrôler la direction de pointage. L'invention concerne notamment un équipement de io radiocommunication caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : une antenne dispersive en fréquence en liaison avec un modem adapté à générer une forme d'onde à base de modulation OFDM à spectre, en augmentant la durée d'un symbole OFDM par reproduction du motif de transformée de Fourier FFT. 15 Le modem utilise, par exemple, une séquence d'étalement de spectre de type DSSS. L'invention concerne aussi un procédé d'étalement de spectre basé sur la technique OFDM caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape où l'on augmente la durée d'un symbole OFDM en reproduisant le 20 motif FFT pour générer une forme d'onde et l'on transmet cette forme d'onde à une antenne dispersive . On utilise, par exemple, un facteur d'étalement au moins égal à T*dF=2. Le procédé applique par exemple une séquence DSSS sur la suite 25 des motifs du symbole OFDM. L'invention concerne aussi un procédé de radiocommunication comportant au moins les étapes suivantes : • Générer une forme d'onde à base de modulation OFDM en 30 augmentant la durée d'un symbole OFDM par reproduction du motif FFT, • Transposer la forme d'onde dans une bande de fréquence adaptée à une antenne dispersive donnée, • Emettre la forme d'onde vers un récepteur. L'équipement et le procédé d'étalement de spectre présentant au moins l'une des caractéristiques précitées sont par exemple utilisés pour la communication de données vers des terminaux situés dans des directions différentes. L'équipement peut aussi être utilisé dans un système comprenant un interrogateur équipé d'une antenne dispersive et d'un modem et un répondeur caractérisé en ce que l'on interroge un répondeur en émettant une forme d'onde générée par le procédé d'étalement de spectre, on analyse spectralement le signal d'interrogation reçu par le répondeur et on détermine la position du répondeur par rapport à l'axe mécanique de l'antenne FSA de l'interrogateur. La présente invention offre notamment comme avantages de fournir des équipements à bas coût, par exemple des équipements de radiocommunications, de radio identification et de radiolocalisation, avec le bénéfice des propriétés suivantes : 1 ù un gain d'antenne dans toutes les directions de trafic, 2 ù la possibilité de communications simultanées avec les terminaux fixes ou mobiles situés dans des directions différentes, 3 ù une optimisation du partage de la puissance d'émission installée entre les différentes directions servies, 4 ù une capitalisation des multitrajets ou une protection contre les multitrajets, et 5 ù la possibilité d'effectuer une écartométrie angulaire avec relevé de 25 distance. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : 30 • La figure 1 un synoptique général du système selon l'invention, • La figure 2 le schéma de principe d'une antenne FSA dispersive en fonction de la fréquence, • La figure 3 un exemple de réalisation d'une antenne FSA dispersive en fonction de la fréquence, 35 • La figure 4 un symbole OFDM classique, • La figure 5 un symbole OFDM étalé en fréquence, • La figure 6 un symbole OFDM étalé en fréquence avec sur-modulation DSSS, • La figure 7 le schéma d'une communication point à multipoint démontrant l'avantage d'un gain d'antenne dans toutes les directions de trafic, • La figure 8 le schéma d'une communication point à multipoint démontrant la capacité de communications simultanées et de partage de la puissance optimal, • La figure 9 un exemple de communication point à multipoint en présence de multitrajets, et • La figure 10 un synoptique d'un système de radio-identificationlocalisation. La figure 1 représente un synoptique du système selon l'invention. L'application est donnée à titre illustratif pour un système de radiocommunications en bande millimétrique à 40 GHz de type réseau radio local ou radio LAN (abréviation anglo-saxonne de Local Area Network) avec des portées typiques de 100 m à 1000m. Sur la figure 1, on a représenté un système comprenant une antenne FSA, 1, un dispositif, 2, adapté à réaliser une transposition en fréquence et un modem, 3, de type UWB-OFDM à étalement de spectre selon l'invention. Dans cet exemple, le modem 3 adresse une bande instantanée 25 paramétrable jusqu'à 2000 MHz environ au travers d'une FFT de typiquement 64 à 256 points. La transposition en fréquence est supposée porter la bande de trafic du modem entre 40 et 42 GHz pour le présent exemple. La figure 2 donne un schéma synoptique de principe d'une 30 antenne FSA. Les éléments rayonnants, espacés de X0/2 sur la face rayonnante de l'antenne, sont alimentés en série par des lignes longues, dans cet exemple de longueur 16X0 (X0 étant la longueur d'onde dans le vide à la fréquence centrale f0). Dans ces conditions, le déphasage entre deux éléments 35 rayonnants consécutifs à la fréquence de longueur d'onde X est égal à : -(27r/X)*(16X0) + 16*2*n (valeur entre -7c et Tc, nulle pour X=XO ) Ce déphasage produit un dépointage angulaire du faisceau cp tel 5 que le déphasage entre deux éléments rayonnants consécutifs est égal à (27dX)*(X0/2 *sin(cp)), valeur entre -7r et Tr, nulle pour (p=0. L'égalité entre les deux expressions ci-dessus donne : 10 sin((p) = 32*(1-X/Xo) = 32*(fo/f-1) avec f et fo, les fréquences correspondantes aux longueurs d'onde X et X0. On constate que le faisceau est positionné dans l'axe à la 15 fréquence centrale (fo prise dans cet exemple à 41 GHz) et se dépointe dès que l'on modifie la fréquence, par exemple : Fréquence = 40 GHz cp= 53 Fréquence = 41 GHz (p= 0 Fréquence = 42 GHz cp= -50 20 La longueur d'onde à 40 GHz est égale à 7,5 mm, la longueur électrique du circuit de distribution entre les éléments rayonnants est égale à 16*7,5 mm, soit 120 mm, ce qui est implantable après repliement sur un circuit d'un peu plus de 6 cm de côtés selon un schéma indiqué à la figure 3. La longueur électrique totale du circuit de distribution est de 15*120 mm, soit 25 1,8m. Une réalisation sous la forme de guides d'ondes en métal ou en plastique métallisé permet notamment de limiter les pertes radioélectriques. La figure 3 montre un exemple de réalisation comportant une antenne dispersive FSA de type 16*4 éléments (patches) présentant une directivité dans l'axe de 22 dBi et un faisceau d'ouverture de 8 degrés 30 environ en gisement et de 30 degrés en élévation (ouverture à 3 dB). Avec 2000 MHz de bande instantanée, le modem adresse un secteur angulaire d'environ 103 degrés, soit environ 16 faisceaux consécutifs ce qui permet à la fois une discrimination angulaire et la disponibilité de 100 MHz de bande par direction pointée (capacité de 100 Mbps par direction). Modem à étalement de spectre UWB-OFDM Les antennes dispersives FSA nécessitent la manipulation de très larges bandes de fréquence, bien plus larges que le débit utile de trafic (dans notre exemple : 2000 MHz pour 100Mbps. Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention on utilise par exemple la technologie UWB-OFDM. Pour rappel, la figure 4 explicite le principe de construction d'un symbole OFDM classique. Un symbole OFDM de durée T est constitué d'une série de porteuses régulièrement espacées en fréquence (dF) sur une bande B. Chaque porteuse est, par définition, une sinusoïde modulée par un coefficient amplitude-phase constant sur la durée du symbole, l'ensemble des valeurs amplitude-phase des porteuses individuelles constituant l'information transmise par le symbole. Par définition, un tel signal est périodique en temps avec une période 1/dF, le motif périodique étant le motif de FFT (FFT acronyme anglo-saxon de Fast Fourier Transform). Pour obtenir un effet d'étalement de spectre selon l'invention, l'idée consiste à prolonger la durée T d'un symbole OFDM par une simple répétition à l'identique du motif de FFT (de durée 1/dF) autant que souhaité. Le convertisseur digital-analogique du modem travaille à la fréquence B en vertu du principe de Nyquist, les autres unités du modem pouvant travailler à fréquence réduite 1/T. Le spectre du symbole OFDM montre alors du vide entre chaque porteuse, et les symboles décalés en fréquence de n/T, n entier, 0 La précision de synchronisation requise en temps pour la démodulation est en rapport avec la durée symbole T, et non pas 1/B, comme classiquement pour les modulations de bande B. Dans notre exemple, B=2000 MHz et 1/B=0,5 ns. Pour une FFT de 128 points, on a B/dF=128 et T=(T*dF)*128/B. Un coefficient étalement T*dF=2 donne T= 256/B= 128 ns. Un coefficient étalement de T*dF=16 donne une durée symbole T = 1024 ns qui est très manipulable. On peut ainsi facilement dimensionner et implémenter un signal très large bande permettant d'utiliser l'antenne FSA, en utilisant un 10 convertisseur numérique-analogique adapté. On remarque sur la figure 5 que le symbole décalé de dF/2 comporte deux motifs FFT en opposition de phase, alors que le symbole non décalé comporte deux motifs FFT identiques. Ceci peut être généralisé en appliquant une séquence d'étalement 15 de spectre DSSS (acronyme anglo-saxon de Direct Sequence Spread Spectrum) sur la suite des motifs FFT du symbole OFDM selon l'invention. La figure 6 représente un tel symbole pour un facteur d'étalement T*dF=4. Chaque porteuse du spectre OFDM se voit modulée avec la même séquence DSSS et est donc modulable et dé-modulable 20 individuellement, ce qui est important puisque chaque porteuse est destinée à servir une direction différente selon l'invention. Dans cet exemple d'application, on obtient une densité spectrale quasi-uniforme sur toute la bande B, et donc discrète . 25 Les figures 7 à 10 donnent différents exemples d'application de l'invention et leurs avantages. Gain d'antenne dans toutes les directions La figure 7 représente une topologie réseau type d'un système selon l'invention comprenant des terminaux à antenne FSA et des terminaux 30 à antenne omnidirectionnelle (avec une vue en perspective pour illustrer la position parallèle des antennes FSA). Les antennes FSA doivent être physiquement orientées dans la même direction, soit à l'installation, soit par un positionneur automatique piloté par un compas. Pour mettre en exergue le bénéfice des antennes FSA, on peut 5 s'appuyer sur le bilan de liaison chiffré suivant, en référence à l'exemple de réalisation déjà décrit : Espace libre Distance 100 m Frequence 41 GHz Marge de pluie 4 dB/km PROPAGATION Largeur de bande 2000 MHz bruit Pertes chaîne radio C/N Teb=10-6 Puissance transmise Valeur système Gain cumulé pour l'antenne FSA ANTENNE GAIN OMNI ANTENNE GAIN 92 DB/GHz/km -20 dBkm 32 dBGHz 0,4 DB 105 DB 33 dBMHz 6dB 2dB 6dB 14 dBm 81 DB 24dBi 19 dBi 5 dBi D'après ce bilan de liaison chiffré, on déduit que : 10 1 ù face à des terminaux équipés d'antenne omnidirectionnelle, le terminal équipé d'une antenne FSA peut transmettre en espace libre à 100 m une charge de trafic de 2000 Mbps (soit 20 directions différentes à 100 Mbps chacune), 2 ù face à des terminaux équipés d'antenne FSA, sous réserve que celles-ci 15 soient toutes alignés dans la même direction, le terminal équipé d'une antenne FSA peut transmettre en espace libre à 1000 m, une charge de trafic supérieure à 200 Mbps (soit 2 directions différentes à 100 Mbps), 3 - Les terminaux omnidirectionnels peuvent échanger entre eux des charges de trafic au mieux égales à 70 Mbps à 100m et 0,3 Mbps à 1000m. 20 Communications simultanées avec les terminaux fixes ou mobiles situés dans des directions différentes. La figure 8 illustre le cas canonique d'une configuration point à multipoint. Le modem UWB-OFDM sert ici deux liaisons à la fois dans deux directions différentes, chacune dans sa bande de fréquence particulière en rapport avec sa direction, et donc de manière simultanée par multiplexage fréquenciel. Les porteuses correspondant à des directions inutilisées ne sont pas émises. Optimisation du partaqe de la puissance d'émission installée entre les 10 différentes directions servies Sur la figure 8, les puissances d'émission sont ajustées de manière optimale pour chaque liaison, par simple pondération des porteuses individuelles du symbole OFDM. On peut ainsi donner plus de puissances aux liaisons le nécessitant (ici F2), en prenant sur les liaisons ayant de la 15 marge de puissance (ici F1). Capitalisation et résistance vis à vis des multitrajets La figure 9 représente une topologie réseau où un terminal à antenne omnidirectionnelle est présenté à un terminal à antenne FSA en 20 présence de réflecteurs naturels ou artificiels. Chaque réflexion correspondant à une direction différente, et donc une fréquence différente, chaque trajet de radio propagation, direct ou réfléchi, peut être servi indépendamment par multiplexage fréquentiel, permettant ainsi au système de capitaliser sur le meilleur. 25 La même configuration de la figure 9 avec 2 antennes FSA conduit à l'élimination des trajets par filtrage spatial au bénéfice du trajet direct, ce qui représente dans ce cas une protection défensive vis à vis des multitrajets. Ecartométrie anqulaire, radio-identification et radio-localisation La figure 10 indique une configuration typique de radio-30 dentification-localisation. Un problème classique de la fonction radio-identification est la difficulté pour un interrogateur d'interroger un répondeur situé dans une direction précise sans avoir à réveiller ses voisins. L'idée de l'invention consiste à interroger en une seule fois avec un signal très large bande de type UWB-OFDM obtenu par mise en oeuvre des étapes précédement décrites. Le signal d'interrogation reçu par le répondeur est analysé spectralemement. Cette analyse spectrale permet au répondeur de repérer immédiatement sa position par rapport à l'axe mécanique de l'antenne FSA de l'interrogateur et donc de répondre en conséquence. De cette fonction d'écartométrie découle une fonction de relèvement angulaire pouvant atteindre le 1/10e de faisceau (soit de 1 à 8 degrés dans notre exemple). De plus, la bande instantanée de 100 MHz permet d'envisager un relèvement en distance de l'ordre du mètre. Radiocommunication à très faible densité spectrale En retenant la limitation de PIRE à -41.25 dBm/MHz définie par la FCC pour l'UWB dans la perspective d'une discrétion maximum, et en utilisant les antennes FSA de 20 dBi de gain en réception, la performance en débit accessible est de 20 Mbps à 10m et de 0,2Mbps à 100m. Ces performances n'auraient été que de 0,2 Mbps à 10m et 0,002 Mbps à 100m dans une conception UWB classique. Sans sortir du cadre de l'invention, les étapes exposées ci-dessus sont applicables à d'autres fréquences, notamment chaque fois que l'on dispose d'une bande passante suffisante et de l'emplacement nécessaire pour loger l'antenne. Un domaine d'application est le Wimax selon la norme 802.16e, notamment pour les aspects techniques avancés envisagés dans la norme 802.16e (en anglais, advanced radio techniques) en matière de diversité (en anglo-saxon, transmit and receive diversity), et en matière d'antenne intelligente (en anglais, smart antenna, adaptative antenna system). Un domaine d'application de choix pourrait être la bande de 40.5 GHz à 42.5 GHz. Un autre domaine d'application est l'UWB dans la bande 3.1 à 10.6 GHz, telle que définie par la FCC et telle envisagée par l'organisation multibande OFDM comme sous la référence MBOA-SIG ûmulti band OFMD) pour les émissions à faible densité spectrale ne dépassant pas -41.25 dBm/MHz.10 REVENDICATIONS 1 ù Equipement de radiocommunication caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants : au moins une antenne dispersive en fréquence (1) en liaison avec un modem (3) adapté à générer une forme d'onde à base de modulation OFDM à spectre en augmentant la durée d'un symbole OFDM par reproduction du motif FFT. 2 ù Equipement selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte au 10 moins un modem utilisant une séquence DSSS. 3 ù Procédé d'étalement de spectre basé sur la technique OFDM caractérisé en ce qu'il comporte au moins une étape où l'on augmente la durée d'un symbole OFDM en reproduisant le motif FFT pour générer une forme d'onde 15 et l'on transmet cette forme d'onde à une antenne dispersive . 4 ù Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'on utilise un facteur d'étalement au moins égal à T*dF=2. 20 5 ù Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que on applique une séquence DSSS sur la suite des motifs du symbole OFDM. 6 ù Procédé de radiocommunication caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : 25 • Générer une forme d'onde à base de modulation OFDM en augmentant la durée d'un symbole OFDM par reproduction du motif FFT, • Transposer la forme d'onde dans une bande de fréquence adaptée à une antenne dispersive donnée, 30 • Emettre la forme d'onde vers un récepteur. 7 ù Utilisation de l'équipement selon l'une des revendications 1 à 2 ou du procédé selon l'une des revendications 3 à 5 pour la communication de données vers des terminaux situés dans des directions différentes. 358 ù Utilisation de l'équipement selon l'une des revendications 1 à 2 dans un système comprenant un interrogateur équipé d'une antenne dispersive et d'un modem et un répondeur caractérisé en ce que l'on interroge un répondeur en émettant une forme d'onde générée par le procédé selon la revendication 3, on analyse spectralement le signal d'interrogation reçu par le répondeur et on détermine la position du répondeur par rapport à l'axe mécanique de l'antenne FSA de l'interrogateur.10