Diversité spatiale:

La diversité spatiale est une caractéristique utile pour surmonter les interférences à trajets multiples. En fournissant une diversité spatiale, les circuits internes de la radio peuvent choisir entre les deux antennes de réception pour une meilleure réception sans fil. Les liaisons et les connexions au-dessus de l'eau, sur de longues distances, peuvent être très difficiles en raison des faisceaux radio qui se réfléchissent sur l'eau, ce qui crée des interférences par trajets multiples pour les ondes radio. Dans le cas des applications 802.11ac ou MIMO, deux antennes spatialement ou polarisantes ou plus  sont nécessaires pour que la radio fonctionne à son débit de données le plus élevé.

L'un des défis de la commutation sans fil moderne est l'interférence importante due à l'augmentation des transmissions d'ondes sur une bande de fréquence limitée. Ce problème a conduit à l'amélioration des technologies de transmission vers l'efficacité spectrale. Le multiplexage spatial est l'un des moyens les plus efficaces d'améliorer la qualité de la transmission sans fil.

Le multiplexage spatial (SM, ou SMX) est une technique de transmission RF utilisée dans les systèmes MIMO sans fil pour transmettre des flux de signaux de données indépendants et codés de manière unique à partir de chacune des multiples antennes. Le multiplexage spatial est incorporé dans les transmissions MIMO OFMD pour améliorer l'efficacité spectrale.

Le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) est une méthode utilisée pour moduler un flux de données numériques sur plusieurs fréquences porteuses séparées par des canaux à bande étroite. Ce multiplexage réduit la diaphonie et les interférences. La plupart des systèmes MIMO sont basés sur OFDM. Plusieurs applications modernes telles que LTE, LTE+, DSL et les réseaux sans fil utilisent l'OFDM dans leur processus de transmission.

Le principal avantage de la transmission OFDM par rapport à l'autre porteuse unique est sa capacité à faire face aux contraintes de canal telles que l'atténuation, le brouillage et les évanouissements de fréquence dus à la propagation par trajets multiples. MIMO OFMD atteint actuellement l'efficacité spectrale la plus élevée et offre le débit le plus élevé sur les transmissions sans fil.

Les antennes omnidirectionnelles MIMO OFDM multiplexées spatialement  peuvent être utilisées dans plusieurs applications en utilisant diverses bandes de fréquences, les fréquences radio standard et les bandes de fréquences ISM.

Le multiplexage spatial est idéal pour améliorer la couverture dans les zones à haute densité et éliminer les angles morts potentiels. Sa capacité à faire face à de fortes interférences tout en fournissant une transmission SNR élevée lui confère cet objectif.

Diversité spatiale de l'antenne:

La diversité spatiale d'antenne, également appelée diversité d'antenne ou diversité d'espace, est la pratique des communications radio qui consiste à améliorer une liaison sans fil en utilisant deux antennes ou plus pour la transmission du signal.

La diversité spatiale dépend toujours de la fourniture d'une ou de plusieurs antennes de réception avec plusieurs observations d'un signal, transmises par plus d'une antenne avec des emplacements et des positions différents. Dans certains environnements, une seule antenne d'émission peut être vulnérable aux évanouissements, aux abandons, aux pertes de connexions ou à d'autres formes d'interférences. L'utilisation de plusieurs antennes augmente la probabilité que vous receviez correctement le signal et qu'un meilleur signal soit reçu d'au moins une des antennes concernées. Une récupération précise de la transmission d'origine est également possible en utilisant la redondance des multiples signaux reçus. Cette stratégie de couche physique (PHY) est avantageuse pour le transfert de données dans des environnements non statiques où il y a peu ou pas de ligne de visée et où les signaux peuvent être facilement corrompus, comme nous l'explorons ci-dessous.

La diversité spatiale est l'un des schémas de diversité disponibles pour améliorer la qualité et la fiabilité du signal. La diversité spatiale est l'une des nombreuses méthodes utilisées dans les communications radio pour améliorer la robustesse des signaux transmis et minimiser les évanouissements et les interférences. Cela se fait en utilisant une pluralité de canaux de communication aux caractéristiques diverses.

Les schémas de diversité alternative utilisent des facteurs tels que le temps, la fréquence et la polarisation pour renforcer la transmission du signal, mais la diversité spatiale est caractérisée par la transmission synchrone d'un seul signal entre plusieurs antennes d'émission et de réception distinctes. Il est important de noter qu'au moins deux antennes ayant les mêmes caractéristiques doivent être utilisées et que ce n'est pas la synchronisation du signal qui produit la diversité, mais plutôt le nombre d'antennes concernées.

Principaux types de diversité d'antenne:

La diversité d'antenne peut être subdivisée en:

• Diversité d'émission lorsque la diversité d'antenne utilise spécifiquement plusieurs antennes d'émetteur.
• Diversité de réception impliquant l'utilisation de plusieurs antennes de réception, les entrées de signal étant combinées pour une récupération correcte du paquet de données.
• La macro-diversité ou diversité de site décrit une disposition de diversité spatiale où les antennes en réseau sont éloignées les unes des autres, comme dans le cas des stations de base cellulaires ou des points d'accès sans fil.
• La micro-diversité consiste à ce que les antennes soient éloignées à une longueur d'onde l'une de l'autre.

Qu'est-ce que le multipath?

La propagation par trajets multiples est essentiellement la propagation non linéaire d'un signal de radiofréquence entre l'émetteur et le récepteur. Dans ce cas, les ondes électromagnétiques se propagent par de multiples chemins à travers leur environnement, créés par des obstructions physiques et des surfaces qui peuvent absorber ou réfléchir le signal. Les signaux radiofréquences affichent des phénomènes optiques tels que la réflexion, la réfraction et la diffraction, et rebondissent sur des objets tels que des bâtiments ou de la végétation, entraînant une arrivée retardée, modifiée ou déphasée au récepteur. Chaque réflexion produit plusieurs nouveaux fronts d'onde qui dupliquent le signal d'origine. Plutôt que le signal d'origine, plusieurs fronts d'onde espacés dans le temps atteindront le récepteur.

Les trajets multiples sont un problème courant dans les environnements bâtis où des surfaces dures, métalliques ou réfléchissantes sont présentes pour que le signal rebondisse. Les entrepôts, les hangars d'avions et les zones de fabrication sont particulièrement vulnérables. Des matériaux tels que le verre, le béton, l'acier et d'autres métaux à proximité des antennes d'émission ou de réception favoriseront l'effet de trajets multiples.

Les liens et les connexions au-dessus de l'eau et sur de longues distances peuvent également être très difficiles en raison des faisceaux radio qui se réfléchissent sur l'eau, créant des interférences à trajets multiples pour les ondes radio comme nous l'explorons ci-dessous.

Le degré de propagation par trajets multiples présent dans les communications radioélectriques est indiqué par l'étalement du retard. Elle est définie comme la différence entre l'arrivée dans le temps des premières composantes cohérentes du signal et des derniers éléments de trajets multiples. Généralement mesuré en nanosecondes, l'étalement du retard varie en fonction de l'environnement dans lequel le signal est transmis.

Effets de la distorsion par trajets multiples:

La propagation multi-trajets troposphérique se rapporte à l'atmosphère la plus proche de la surface de la Terre et produit un motif aléatoire de réflexions. Cette forme de propagation du signal a un certain nombre d'effets souvent difficiles à contrôler qui conduisent souvent à la corruption du signal transmis. En effet, les ondes électromagnétiques auront parcouru des distances variables et à des vitesses différentes pour atteindre le récepteur hors phase. Ces déphasages, retards et atténuations du signal ont un effet délétère sur le signal reçu.

Les effets du brouillage par trajets multiples peuvent inclure:

• Les évanouissements induits par trajets multiples se produisent lorsque le signal d'origine est atténué en raison de l'interférence des multiples fronts d'ondes alternés atteignant le récepteur.
• La corruption des données se produit lorsqu'un récepteur est submergé par des fronts d'onde à trajets multiples et incapable de récupérer des données cohérentes.
• Brouillage destructeur ou annulation du signal: est dû à l'arrivée directe déphasée d'un signal par trajets multiples qui annule complètement le signal d'origine.
• Brouillage constructif ou augmentation de l'amplitude du signal: implique l'arrivée de fronts d'onde à trajets multiples en phase avec le signal principal, augmentant son amplitude et sa force. Cependant, la qualité du signal peut être médiocre malgré l'augmentation de la force.
• Les techniques de diversité spatiale sont une solution essentielle à la distorsion par trajets multiples.

La diversité d'antenne est une solution ciblée pour atténuer efficacement les effets néfastes des trajets multiples. Ces antennes physiquement séparées fournissent à un récepteur plusieurs observations du signal émis, de sorte que le signal est observé après avoir traversé une gamme de conditions de brouillage. Cela augmente les chances que le signal correct puisse être reconstruit avec succès à l'extrémité réceptrice et neutralise les valeurs nulles et les échos radio qui nécessiteraient des tentatives de données répétées. La séparation physique des antennes en diversité garantit également que les antennes subissent divers niveaux de brouillage par trajets multiples, l'une ou l'autre ayant une meilleure qualité de signal et un meilleur rendement global. L'effet collectif de ces antennes fonctionnant de concert, envoyant les mêmes paquets de données sur plus d'un chemin entre l'émetteur et le récepteur, est une liaison sans fil plus robuste dans des conditions difficiles. La diversité spatiale est idéale pour améliorer la couverture dans les zones à haute densité et éliminer les angles morts potentiels qui entravent particulièrement les environnements urbains et industriels.

Liaisons sans fil sur l'eau:

Les signaux radiofréquences qui se propagent au-dessus des plans d'eau sont très sensibles au brouillage par trajets multiples. La surface de l'eau, surtout si elle est soumise aux vents ou aux courants, est inégale et extrêmement réfléchissante, ce qui entraîne la création de plusieurs fronts et échos de vagues alternés. L'interface de température entre l'air et l'eau peut également induire des conduits thermiques et une perte de signal notable. 

La proximité de la surface de l'eau tactile de la liaison sans fil produira les effets les plus forts et l'une des stratégies clés pour améliorer les trajets multiples induits par l'eau consiste à élever les points d'extrémité de la liaison sans fil suffisamment haut pour minimiser les trajets multiples. Si cela n'est pas possible, la diversité d'antenne avec l'érection de liaisons parallèles secondaires peut s'avérer efficace. Les exigences de diversité spatiale pour les liaisons sans fil au-dessus de l'eau nécessitent une évaluation minutieuse et une séparation géométrique pour obtenir une connectivité adéquate, qui est généralement planifiée le plus efficacement par une étude de site.

Sélection des antennes Diversity:

Le choix de l'antenne est essentiel au succès d'une configuration en diversité. Pour que le système fonctionne correctement, les antennes doivent être étroitement appariées pour toutes les caractéristiques (c'est-à-dire fréquence, impédance, polarisation, motif, etc.), au moins étant du même type et  du même gain. Les schémas de diversité impliquent généralement que les antennes soient séparées verticalement, mais avec une proximité suffisante pour couvrir la même zone. Ils doivent être maintenus aussi près que possible de la zone de couverture et les uns des autres pour éviter les câbles trop longs. Des configurations en diversité avec deux antennes dans un boîtier partagé sont également possibles, à condition que les éléments d'émission et de réception soient distincts et câblés séparément. Bien qu'il faille plus de matériel et de câblage qu'avec une seule paire d'antennes, une grande partie des circuits de radiofréquence est partagée entre les antennes d'émission ou de réception. À l'extrémité de la réception, une puissance de traitement plus importante sera nécessaire pour  que la fonctionnalité de détection de porteuse puisse discerner le signal qui atteint un seuil de signal préprogrammé et faire passer le système à l'écoute de l'antenne d'où il provient.

Points pratiques sur les configurations de diversité spatiale.

Il existe différents types de configurations de diversité d'antenne en fonction de l'application et du matériel disponible.

• La diversité d'antenne radio simple se compose d'une paire d'antennes appariées et d'une radio.
• La diversité de double antenne radio est composée des antennes appariées, chacune étant connectée à une seule radio.

Les schémas de diversité dépendent largement des  algorithmes de détection de porteuse (CS). Également connu sous le nom d'« écouter avant de parler », le CS fait référence à la capacité de surveiller la transmission du signal des antennes de diversité pour l'intensité ou la qualité du signal et d'effectuer un basculement vers l'antenne dont le signal dépasse un seuil prédéterminé. Cela permet de maintenir un débit optimal et de réduire au minimum les pertes de données ou les nouvelles tentatives.

Dans un système à deux antennes avec des antennes d'émission, ANT1 et ANT2, le signal reçu des deux antennes sera comparé au seuil CS. Le récepteur restera sur l'antenne qui dépasse le seuil. Si le signal ANT1 n'est pas optimal, le niveau du signal sera vérifié via ANT2.

Les contrôleurs des systèmes de diversité d'antennes ont généralement soit

1. un mode à commutation unique économe en énergie qui mettra automatiquement fin à la réception si un signal approprié n'est pas détecté sur l'une ou l'autre des antennes, ou
2. un mode de commutation continue où le récepteur écoute activement pendant de plus longues périodes un signal qui dépasse le seuil CS.

Certains systèmes Diversity sont capables de se souvenir de l'antenne qui a fonctionné de manière optimale lors de l'utilisation précédente et de la revisiter de préférence lorsque le système est utilisé par la suite, ce qui peut raccourcir les temps de démarrage.

Le rôle de la fréquence dans la diversité spatiale:

Les systèmes de diversité d'antenne fonctionnent à une seule fréquence. La fréquence utilisée sera déterminée par son application. Pour les technologies sans fil les plus connues qui utilisent la diversité d'antenne, au moins deux antennes sont nécessaires pour que la radio fonctionne avec les débits de données les plus élevés.

1. Wi-Fi

La diversité d'antenne WiFi est spécifiée dans un certain nombre de Normes WiFi Alliance, y compris 802.11 a, ac, b, g, net utilise plusieurs 2,4 GHz ou 5 GHz antennes, en passant de l'une à l'autre pour obtenir le meilleur signal de radiofréquence pour la transmission de données. Sur un routeur typique, les antennes WiFi sont situées à des endroits distincts afin que chacune reçoive une version différente du signal client.

2. LTE

La connectivité LTE dépend de l'utilisation de plusieurs antennes, et un certain nombre de techniques sont utilisées:

• La diversité d'émission est utilisée pour améliorer la robustesse du signal dans de mauvaises conditions et améliorer la couverture. Cela n'a aucun effet sur les débits de données.
• La diversité de réception améliore la qualité du signal et améliore la couverture en combinant plusieurs versions du même signal transmis.

Les flux de données LTE transmis de cette manière peuvent être attribués à un seul utilisateur ou à plusieurs utilisateurs sur une gamme de fréquences, notamment 700 MHz, 1700-2100 MHz et 2500-2700 MHz.

Les antennes appariées installées dans un schéma de diversité doivent être espacées à une distance équivalente à un multiple d'au moins quatre fois la longueur d'onde de la fréquence d'émission. Par exemple, si ANT1 et ANT2 sont utilisés pour une radio 2,4 GHz, ils doivent être espacés d'un multiple de 5 pouces, la longueur d'onde étant de 2,4 GHz.

MIMO et diversité d'antenne:

MIMO est l'abréviation de multiple-input and multiple-output et fait référence à une méthode utilisée pour étendre la capacité d'une liaison sans fil en utilisant plusieurs antennes d'émission et de réception. Il s'agit d'une caractéristique de la LTE et d'autres technologies sans fil, mais elle diffère de la technique de diversité spatiale, car plus d'un signal sans fil est reçu simultanément plutôt que d'améliorer un seul signal de données.

Arrondi à la supérieure:

La diversité d'antenne s'est avérée être une méthode pratique et efficace pour surmonter le problème des brouillages par trajets multiples dans les liaisons hertziennes. Il est capable d'être mis en place avec compétence dans une gamme d'environnements allant des quartiers urbains densément peuplés aux plans d'eau ouverts. Comme la diversité spatiale peut fonctionner à n'importe quelle fréquence, l'utilisation d'antennes appariées ou multiples est utilisée avec une gamme de technologies de réseau cellulaire et sans fil. Pour une performance optimale d'un système de diversité, une étude minutieuse du site est toujours préférable, avec l'installation minutieuse d'antennes correctement espacées.