Malgré les progrès de la modulation et du codage, les liaisons sans fil demeurent vulnérables à la perte de signal causée par la propagation multipathale, l'ombre et l'interférence. Les systèmes de diversité des antennes offrent une solution puissante et matérielle pour atténuer ces déficiences, améliorant la fiabilité des liaisons sans nécessiter de spectre ou de puissance supplémentaire. En déployant plusieurs antennes et combinant intelligemment leurs signaux, ces systèmes exploitent la séparation spatiale des événements de perte pour maintenir une connexion robuste.

Principes fondamentaux de la diversité des antennes

La diversité des antennes permet de tirer parti de l'indépendance statistique des canaux de décoloration à différents emplacements d'antenne. Lorsque les antennes sont suffisamment espacées (généralement une demi-longueur d'onde ou plus), la probabilité que toutes les antennes connaissent simultanément un décoloration profond est considérablement réduite. Le concept de base est de recevoir — ou de transmettre — plusieurs copies du même signal par des chemins de décoloration indépendants, puis de les combiner pour produire une sortie plus forte et plus stable.

Principaux mécanismes de diversité

  • Diversité spatiale:[ Séparation physique des antennes pour obtenir des chemins de décoloration non corrélés.
  • Polarisation Diversité:[ Utilisation de polarisations orthogonales (par exemple verticales et horizontales) pour capturer différents motifs de décoloration.
  • Angle Diversity:[ Diriger les faisceaux vers des angles d'arrivée distincts des signaux entrants.
  • Diversité temporelle:[ Transmission du même signal à des moments différents (par exemple, par interleaving), mais cela consomme des ressources temporelles.

Parmi ces systèmes, la diversité spatiale est la plus largement mise en œuvre dans les systèmes sans fil modernes, formant la base des techniques à entrées multiples (MIMO).

Types de programmes de regroupement de la diversité

Recevoir des techniques de combinaison de diversité déterminent comment les signaux provenant de plusieurs antennes sont traités pour maximiser la qualité des liaisons. Le choix du schéma affecte la complexité, la performance et la consommation d'énergie.

Sélection Diversité

La diversité de sélection est la forme la plus simple : le récepteur surveille en permanence la force du signal (ou le rapport signal-bruit, SNR) sur chaque branche d'antenne et sélectionne celle qui a la meilleure qualité instantanée. Ce signal de branche est ensuite transmis au démodulateur. Le gain de diversité est proportionnel au nombre d'antennes; avec N les antennes, la probabilité que toutes les branches soient dans un fade baisse comme pN]. Bien que la diversité de sélection soit facile à mettre en œuvre, elle gaspille l'énergie des autres branches et ne fournit qu'une amélioration modérée du SNR moyen par rapport aux méthodes plus complexes.

Changer la diversité

Une variante de la diversité de sélection, la diversité de commutation (souvent appelée diversité de commutation) évite la nécessité d'une surveillance continue. Le récepteur reste sur une antenne par défaut jusqu'à ce que le signal reçu tombe sous un seuil, puis il passe à une autre antenne.

Ratio maximal de combinaison (CMR)

Chaque signal d'antenne est pondéré par un facteur complexe proportionnel à son gain et à sa phase instantanée de canal, puis résumé de façon cohérente. Les poids maximisent le SNR combiné, qui est la somme des SNR de toutes les branches individuelles. Dans un système avec N antennes, MRC donne une amélioration moyenne du SNR d'un facteur de N[ sur une seule antenne, ainsi qu'un gain de diversité supplémentaire qui réduit la profondeur de la fonte.

Combinaison des gains égaux (GCE)

Tous les signaux d'antenne sont pondérés avec une grandeur égale (gain unitaire), et seules leurs phases sont ajustées pour obtenir une somme cohérente. Le SNR combiné est généralement inférieur à MRC mais fournit toujours un gain de diversité important. EGC est souvent choisi pour les systèmes où l'estimation d'amplitude est peu fiable ou où les amplificateurs à gain constant simplifient le matériel. L'écart de performance entre EGC et MRC est faible lorsque le nombre d'antennes est faible et toutes les branches ont un SNR moyen similaire.

Combinement sectoriel et autres variantes

Dans certains déploiements pratiques, on utilise des antennes sectorielles avec une couverture recoupante. Le récepteur sélectionne le secteur avec le signal le plus fort, semblable à la diversité de sélection mais à une plus grande échelle. Les approches hybrides, comme la MRC avec activation sélective des branches, peuvent réduire la consommation d'énergie en éteignant les branches avec un SNR très faible tout en conservant le bénéfice combiné des branches actives.

Transmettre des programmes de diversité

La diversité est également importante pour l'émetteur, surtout sur la liaison descendante où le récepteur peut avoir une taille et une puissance limitées. La diversité de transmission permet à une station de base ou un point d'accès d'envoyer des signaux par plusieurs antennes sans exiger de multiples antennes sur l'appareil utilisateur.

Codage des blocs spatiaux et temporels d'Alamouti

Le plus célèbre schéma de transmission de la diversité est le code Alamouti , qui transmet deux symboles sur deux créneaux horaires et deux antennes à l'aide d'un modèle orthogonal. Au récepteur (même avec une seule antenne), les symboles peuvent être séparés par un traitement linéaire simple, permettant un gain de diversité spatiale complet. Le codage Alamouti fournit la même diversité que le récepteur MRC à deux branches, mais sans nécessiter de multiples antennes de réception. Il est standardisé en 3GPP (par exemple, WCDMA, LTE) et est une technique fondamentale pour les systèmes modernes MIMO.

Diversité des retards cycliques

La diversité des délais cycliques (CDD) introduit un déplacement cyclique du même symbole OFDM sur différentes antennes de transmission, convertissant ainsi une seule transmission en plusieurs copies retardées. Le retard crée une sélectivité de fréquence dans le canal combiné, qui peut être exploité par le code d'erreur-correction du récepteur.

Transmission de la diversité en boucle fermée

Lorsque l'émetteur a des commentaires sur l'état du canal (par exemple, via un canal de rétroaction limité), il peut ajuster les poids appliqués à chaque antenne pour orienter l'énergie transmise vers le récepteur. Ceci est connu comme la diversité de transmission en boucle fermée ou la formation de faisceaux. Le gain de diversité est combiné avec un gain de tableau, fournissant un SNR plus élevé et la fiabilité.

Avantages de la diversité des antennes

Les principaux avantages de la diversité des antennes sont bien établis et se traduisent directement par une meilleure expérience utilisateur et une meilleure efficacité du réseau.

  • amélioration de la qualité du signal:[ La diversité réduit la probabilité de faiblir profondément, ce qui entraîne une force de signal plus constante reçue. Le RNS moyen s'améliore jusqu'à 10 log10(N) dB pour la MRC avec N des branches non corroliées.
  • Reliabilité accrue du lien:[ La probabilité de panne — la probabilité que le SNR instantané tombe sous un seuil — diminue de façon exponentielle avec le nombre de branches de diversité. Par exemple, avec la diversité de sélection à deux branches, la probabilité de panne à un seuil donné tombe à peu près à p2 (si p est la probabilité de panne d'antenne unique).
  • Taux de données plus élevés:[ En réduisant les retransmissions causées par les erreurs de paquets, la diversité augmente efficacement le débit. Les systèmes MIMO utilisent davantage la dimension spatiale pour envoyer simultanément plusieurs flux de données — une extension directe des concepts de diversité.
  • Couverture étendue: La portée d'une liaison sans fil peut être augmentée de 40 à 50 % avec deux antennes au récepteur, selon l'environnement. Ceci est essentiel pour les zones rurales et la pénétration intérieure.
  • Interférence réduite:[ La diversité permet au récepteur d'annuler les signaux d'interférence en utilisant des techniques de combinaison avancées (p. ex., erreur moyenne-carré minimale combinant, MMSE), qui suppriment simultanément les interférences et capture la diversité.

Considérations et défis liés à la mise en œuvre

Malgré les avantages évidents, le déploiement de la diversité des antennes implique des compromis que les concepteurs de systèmes doivent gérer.

Espacement et corrélation des antennes

Pour obtenir une diminution non liée à la corrélation, les antennes doivent être suffisamment espacées — généralement au moins une demi-longueur d'onde. Pour les bandes de sous--6 GHz (p. ex. 2,4 GHz, 3,5 GHz), cet espacement se traduit par 5 à 10 cm, ce qui peut être difficile dans les appareils compacts comme les smartphones ou les capteurs IoT. La diversité de polarisation peut réduire la séparation physique requise en utilisant des polarisations orthogonales, mais au prix de discriminations interpolaires.

Complexité et coût du matériel

Chaque antenne supplémentaire nécessite une chaîne de radiofréquences (RF) dédiée, incluant des filtres, des mélangeurs, des amplificateurs et des convertisseurs analogiques à numérique. Cela augmente le coût des billets de matériel, la consommation d'énergie et la surface de la carte. Dans de nombreux appareils commerciaux, les ingénieurs limitent le nombre d'antennes à 2 ou 4 sur l'équipement utilisateur.

Estimation de la chaîne

Les systèmes de diversité des récepteurs comme la MRC doivent être des estimations précises du canal de chaque branche d'antenne, ce qui exige des symboles pilotes qui occupent des ressources en temps et en fréquence. Dans les canaux à effet rapide, les estimations des canaux doivent être mises à jour fréquemment, ce qui augmente les frais généraux.

Consommation d'énergie

Pour les appareils alimentés par batterie, la diversité de sélection (où une seule chaîne est active à la fois) peut être plus efficace que la MRC. Des algorithmes avancés qui désactivent dynamiquement les branches en fonction des conditions de canal aident à atténuer ce problème.

Applications dans les systèmes sans fil modernes

La diversité des antennes a été adoptée dans presque toutes les principales normes relatives aux services sans fil, souvent comme exigence de base.

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Les appareils de 802.11a/b/g utilisés tôt utilisent souvent deux antennes pour la diversité de sélection. Les appareils modernes 802.11n/ac/ax (Wi‐Fi 4/5/6) intègrent des entrées multiples multiples (MIMO) avec jusqu'à 8 flux, où la diversité est intégrée au multiplexage spatial. La diversité de réception est utilisée pour la formation de faisceaux et la diversité de transmission (via retard cyclique) est obligatoire dans OFDM. Les papiers IEEE décrivent comment la MRC des récepteurs Wi‐Fi améliore le débit par jusqu'à 3 dB dans des environnements intérieurs typiques.

Réseaux cellulaires (4G LTE et 5G NR)

Dans le LTE, la diversité de transmission est obligatoire pour tous les canaux de commande de liaison descendante utilisant Space‐Frequence Block Cding (SFBC, une variation d'Alamouti). Le uplink utilise plusieurs antennes de réception au eNodeB pour la combinaison de la diversité. 5G NR va plus loin avec le MIMO massif, utilisant des centaines d'antennes pour réaliser à la fois la diversité et les gains de faisceau. 3GPP spécifications définissent des techniques de diversité pour les canaux de contrôle et de données, assurant un fonctionnement robuste même aux bords des cellules.

Communications par satellite

Les liaisons par satellite se décolorent en raison des effets atmosphériques et des voies multiples des structures voisines (surtout dans les terminaux mobiles par satellite). La diversité des fréquences est courante sur les terminaux embarqués ou aériens, et certains systèmes satellites utilisent la diversité des sites — deux stations au sol séparées géographiquement pour combattre l'appauvrissement de la pluie — un système de diversité des antennes à l'échelle macrométrique.

Internet des objets (IoT) et LPWAN

Les réseaux à large bande de faible puissance (LoRaWAN, NB‐IoT) utilisent souvent la diversité des récepteurs dans les passerelles pour améliorer la probabilité de décoder les transmissions à faible liaison ascendante des capteurs. Comme de nombreux appareils IoT sont à coûts et à puissance limités, ils ont généralement une seule antenne; le fardeau de la diversité est placé du côté de l'infrastructure.

Automobile et V2X

Les communications V2X, y compris C‐V2X et DSRC, font face à des canaux en évolution rapide due au mouvement du véhicule. Plusieurs antennes (p. ex. deux à l'avant et deux à l'arrière d'une voiture) offrent une diversité contre la décoloration et le blocage. La diversité MRC et la diversité de sélection sont utilisées dans les unités embarquées pour maintenir la fiabilité des liaisons pour les messages critiques pour la sécurité. Les articles de recherche montrent que la diversité des deux branches réduit la perte de paquets de plus de 50 % dans les scénarios routiers.

Tendances futures de la diversité des antennes

L'évolution des services sans fil continue de repousser les limites de la diversité et du traitement spatial.

MIMO massif et MIMO à pleine dimension

Les stations de base MIMO de masse 5G avec 64 à 256 éléments d'antenne brouillent efficacement la ligne entre la diversité, la formation de faisceaux et le multiplexage spatial. Chaque utilisateur est desservi par un faisceau étroit qui offre un gain de réseau élevé, tandis que le grand réseau d'antenne offre intrinsèquement la diversité contre la décoloration.

Surfaces réfléchissantes intelligentes (IRS)

IRS est un réseau passif qui peut être commandé pour refléter les signaux dans une direction souhaitable, créant des chemins de diversité supplémentaires sans ajouter de nouveaux émetteurs. Cette diversité d'antenne --virtual--virtual-- peut être déployée sur les façades ou à l'intérieur pour aider à combattre les zones mortes.

Diversité conduite par l'IA

Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent prédire des modèles d'affaiblissement rapide et sélectionner ou combiner dynamiquement des antennes avec des frais généraux inférieurs à l'estimation traditionnelle. L'apprentissage du renforcement a été appliqué pour changer la diversité dans les réseaux à ondes millimétriques, où les événements de blocage rapide rendent la sélection fixe sous-optimale.

Sous‐6 GHz et mmWave Coexistence

Les futurs appareils peuvent utiliser une approche à double bande : la diversité à la sous‐6 GHz pour la couverture et la formation de faisceaux à la vitesse mmLa chaîne de diversité aux fréquences inférieures peut servir de recul lorsque la liaison mmWave est bloquée, offrant une connectivité transparente.Cette diversité multibande est déjà un sujet dans les études 3GPP Release 18.

Conclusion

De la simple diversité de sélection dans le Wi-Fi précoce au MIMO massif sophistiqué en 5G, le principe fondamental – utilisant plusieurs voies de signalisation indépendantes pour surmonter la décoloration – a prouvé sa valeur au fil des décennies de déploiement. À mesure que les réseaux évoluent vers des fréquences plus élevées, des déploiements plus denses et des exigences de fiabilité plus strictes, la diversité continuera de s'adapter, intégrant des algorithmes intelligents et de nouvelles topologies matérielles.