Description bomaine d'application de l'invention

L'invention concerne une méthode interactive (procédé algorithmique) qui permet de mesurer en permanence avec précision et en temps réel toutes les valeurs des paramètres pour différents modèles de systèmes d’antenne de diffusion et de transmission. La méthode place l’adaptation d’antenne au centre de ses préoccupations. La méthode génère une banque de données de mesures, intégrée dans le menu de chaque émetteur ou à l'intérieur d’une unité d’affichage indépendante au niveau de chaque centre de diffusion ou de transmission. La technique met à profit sa technologie de pointe et la performance de son système de communication entre les capteurs associés à chaque antenne et le capteur central : nouveau algorithme de communication, nouvelles fonctionnalités d'affichage des mesures. La méthode peut aussi visualiser le texte de l'interface utilisateur de langues différentes ...Les principaux domaines d’application de l’invention peuvent repartie comme suite. a. Domaine des télécommunications, Radio/TV

La méthode offre des services interactives et automatiques pour toutes les mesures relatives à tous les types de systèmes d’antenne de diffusion radio et télévision à savoir :

Radio FM.

- La télévision numérique terrestre TNT.

- La radio numérique terrestre (RNT). b. Domaine des communications téléphonique.

- Mesure les paramètres et surveille les caractéristiques du système d’antenne relative à toutes les générations pour le système de téléphonie mobile. c. Domaine des communications satellitaire. - Mesure l’état instantané des antennes parabolique de Télévision par satellite. d. Antenne radar utilisé dans de nombreux contextes :

- En météorologie pour détecter les orages,

- Contrôle du trafic aérien, pour la surveillance du trafic routier, par les militaires pour détecter les objets volants mais aussi les navires,

- En astronautique, etc.

La méthode peut même être utilisée pour l’antenne radar qui détecte et pistes les objets spatiaux. Ces domaines d'application sont donnés à titre d'exemples et, de façon non limitative.

• État de l'Art

Depuis la création des antennes dans la fin du XIXe siècle, les communications sans-fil ne cessent de se développer et les applications sont aussi nombreux que variés. Les antennes, élément de base de ces dispositifs, sont définies comme des objets généralement métalliques pour recevoir et transmettre/diffuser les ondes radioélectriques, elles sont la base de tout système sans-fil. En effet, elles assurent la transition entre une ligne de transmission et l’espace libre [1]. En principe un système d’antenne doit être fiable de rayonner ou de capter les ondes électromagnétiques. Pour une communication de qualité, les émetteurs de diffusion ou transmission ont besoin des antennes adaptées pour "rayonner" de façon optimale. Toute antenne efficace en émission est adaptée à la réception.

Selon les applications, civiles ou militaires, telles que la télévision, le GSM, les transmissions par satellite, la détection... Les antennes doivent satisfaire des spécifications diverses. Afin de décrire et donc caractériser ces antennes, les antennistes utilisent un certain nombre de descripteurs fréquentiels. Leurs définitions sont standardisées par IEEE [2]. Les paramètres fondamentaux qui souvent illustrent le mieux les performances d’un système d’antennes sont : Diagramme de rayonnement.

- Directivité.

- Gain.

- Polarisation.

- Impédance d’entrée.

- Coefficient de réflexion

- Facteur de qualité

- Hauteur effective. - Bande passante

- L’adaptation(ROS) Rapport d’Ondes Stationnaires (ROS) permet de définir l'adaptation de systèmes d’antenne.

Ces différents paramètres et les techniques de mesure associées sont détaillées dans [3] et de manière plus exhaustive dans [4, 5, 6].

Le Rapport d’Ondes Stationnaires (ROS) traduit la présence d’ondes stationnaires dans la ligne de transmission reliée à l’antenne. Le ROS est donc directement obtenu à partir du coefficient de (voir Fig.3): de fonde directe.

Le problème d’adapter l'impédance de sortie de l'émetteur à celle de la ligne est dévoilé avec l’apparition des amplificateurs de puissance à transistors en émission. De plus une désadaptation d'impédance endommage les performances de l'émetteur qui ne peut pas débiter toute sa puissance dans l’antenne.

En présence d'un ROS important et d'une puissance d'émission trop élevée, les composantes de certains émetteurs peuvent être chauffés ou même brûlés. Heureusement la plupart des appareils modernes ont un système de protection qui réduit la puissance d'émission automatiquement proportionnellement au ROS, aux courants de gaine. Mais émettre avec 50 W dans un système d'antenne mal adapté alors qu'on a payé cher un émetteur de 500 W peut être frustrant.

Le ROS sera supérieur à 1 à cause de désadaptation au niveau de système d'antenne et le l’émetteur, prévu pour 50 ohms, ne sera pas chargé de façon optimale.

Brève description des figures constituant les dessins

D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront d'après la description suivante de modes de réalisation préférés, illustrées aux dessins annexés, on citera :

- Fig.l est un schéma fonctionnel de mesure de ROS par watt mètre et par analyseur réseau.

- Fig.2.a résultat de mesure d’adaptation d’antenne Dipôle pour radio FM mesure par un analyseur réseau. - Fig.2.b résultat de mesure d’adaptation d’antenne YAGI pour radio FM mesure par un analyseur réseau.

- Fig.3 est un schéma fonctionnel simplifié d'un analyseur réseau avec les paramètres de réflexion à mesurer.

- Fig.4 est un schéma de principe d'un ensemble de systèmes d’antenne dont leurs connecteurs d’entrés sont équipés par des capteurs pour communiquer avec le capteur principal dans un réseau sans fil lequel l'invention est utilisée.

- Fig.5 est un exemple de schéma fonctionnelle d’un réseau qui représente une communication sans fil entre les 5 capteurs du système d’antenne 1 et le capteur principal. C’est un exemple de l’invention explicative à suivre pour éclaircir la mise en œuvre du procédé de l'invention.

- Fig.6 représente des résultats typiques de la performance de la communication sans fil de l’invention (taux d'erreurs binaires BER en fonction de rapport signal sur bruit SNR du canal) pour diffèrent nombre d’antennes.

L'indication de l'état de la technique antérieure

Pour mesurer le ROS, on intercale entre l'émetteur et l'antenne ou sa ligne, un wattmètre (en le plaçant au plus près de l'antenne) qui mesurera P _d (puissance directe) et P _r (puissance réfléchie) pour différentes fréquences.

Actuellement, pour mesurer l’adaptation du système d’antenne, on utilise les analyseurs de réseau (également connus sous le nom d'analyseurs d'antenne ou de ROS) permettent d'effectuer des mesures sur les composants radios tels que les antennes, câbles, filtres, amplificateurs, etc.... Le principe est schématisé dans la Fig.1.

Les analyseurs de réseau introduit dans les années 80 a permis une avancée considérable pour la rapidité des mesures. Une des principales limitations des analyseurs réseaux dans le contexte de systèmes d’antenne est que les mesures d’adaptation d’antenne ne reflètent pas exactement ni d’évaluer le plus précisément possible l’état réel des antennes surtout pour les antennes qui sont destinées à rayonner des puissances qui dépassent les centaines de watts. Malgré les bons résultats de mesure obtenues dans les normes cas des Fig.2a et Fig.2b. En général, les analyseurs réseaux ne peuvent pas détecter les pertes dans la ligne ni les mauvais contacts au niveau des connecteurs des antennes. Malgré leurs performances, ils ne peuvent en aucun cas nous fournir des mesures exactes surtout lorsqu’il s’agit de diffuser ou transmettre de grande puissances. Un "bon" ROS n'implique pas forcément une émission parfaite. Une antenne très résistante transformera la puissance incidente en chaleur. Elle ne renverra quasiment rien, mais ne rayonnera rien non plus. De même, une ligne avec beaucoup de pertes dissipera la puissance sans la transmettre. Le ROS indiqué sera bon, aucun retour, mais l'antenne ne recevra pas grand-chose.

En effet, un ROS correct mesuré au plus près de l'émetteur avec un analyseur réseau ne signifie pas forcément que l'antenne fonctionne correctement. Les pertes des câbles(feeders) connecteurs et autres éléments sont à prendre en compte. A titre d’exemple, considérons que l'antenne est connectée sur l'émetteur avec un câble coaxial de 60 mètres de longueur qui nous occasionne 3 dB de pertes, on prend les mesures suivantes, comme indique dans la Fig.l :

Mesure par le watt mètre au niveau de l ’ émetteur

- La puissance directe mesurée à la sortie de l’émetteur est : 50 watts.

- La puissance réfléchie mesurée au niveau de l’émetteur est : 1,5 watt.

- ROS = 1,42

Au niveau de l ’ antenne :

- Une mesure de ROS sur l'antenne donnera alors: Puissance directe = 25.59 W / Puissance réfléchie = 2.993 W.

- Le calcul nous donne un ROS = 2,06 (ce qui trop élevé: l'antenne ne fonctionne pas correctement)

Et pourtant, tout semble correct au niveau de l'émetteur (ROS = 1 ,42)

Mesure par analyseur réseau au niveau de l ’ émetteur :

- L’analyseur réseau envoie un signal de petite puissance vers l’antenne et reçois un signal de retour puis il donne les résultats de la Fig. 2. a, Fig.2.b

Explications

Tout d’abord il faut noter que la mesure du ROS à l'émetteur permet de s'assurer que ce dernier est correctement chargé, et par conséquent éviter sa destruction.

Dans le cas de cet exemple, les pertes du câble sont de 3 dB, ce qui implique que la puissance directe est divisée, un peu prêt, par 2. L’émetteur envoie 50 W à l'antenne, il ne reste donc plus que la moitié, soit environ 25.59 W. L'antenne réfléchit 2.993 W (le ROS est de 2,06). Cette réflexion subit aussi les pertes du câble, la mesure à l'émetteur correspond donc à la moitié, c'est-à-dire 1.5 W (le ROS est alors de 1,42). Pour les mesures réalisées par analyseur réseau au niveau de l’émetteur on trouve les résultats de Fig.2 a, (antenne dipôle FM) et Fig2b, (Antenne Yagi FM) ces deux derniers résultats indiquent que les deux systèmes d’antenne (soit avec les dipôles ou Yagi) fonctionnent correctement mais leurs mises en œuvre présente des anomalies.

Pour s'affranchir a ces types de problèmes, la meilleure solution est donc de réaliser une mesure de ROS par un watts mètre directement sur l'antenne, chose qui est pas facile. La mesure du ROS à l'antenne permet de s'assurer qu'elle est correctement adaptée à la fréquence utilisée. On outre un ROS proche de 1, n'indique pas que l'antenne rayonne correctement. Cela prouve uniquement que l'antenne est correctement adaptée à la bonne impédance. En effet on n’a pas besoin de ROS seul mais les autres paramètres du système d’antenne sont aussi nécessaires. D’autre coté, lorsqu’il s’agit d’une anomalie au niveau de système d’antenne, on ne peut pas déterminer exactement la position de l’anomalie.

La présente méthode peut mesurer avec précision tous les paramètres y compris le ROS et peut aussi déceler les anomalies au différents endroits du système et localiser avec précision les défauts à partir des mesures affichées sur l’unité d’affichage tout en décrivant le problème et en les envoyant aux liens appropriés.

Exposé de l'invention

Les antennes sont en principe installées sur un pylône d’haute altitude ; il est donc difficile d’y intervenir. C’est au niveau des antennes que nous devrons mesurer l’adaptation. Le ROS mètre doit être placer, au plus près de l'antenne, ce qui n’est pas toujours facile

La méthode proposée peut intervenir à l’aide d’échange d’information entre les nœuds (capteurs au niveau des antennes) avec un ou plusieurs nœuds centraux (capteurs centraux) selon les types de systèmes d’antenne. Fig.4 schématise le principe global de plusieurs systèmes d’antenne communiquant avec le capteur principal en lui fournissant les mesures des paramètres fondamentaux relatives à chaque système d’antenne dans un réseau sans fil, c’est l’objet de l’invention.

Cette méthode peut aussi rectifier la position horizontale ou verticale des antennes en visualisant le diagramme de rayonnement sur l’unité d’affichage. Elle permet de réorienter l’antenne parabolique : Modification son emplacement et de connaître le degré d'élévation tester son pointage. Elle permet aussi de vérifier l’orientation et la qualité du signal de réception.

La connaissance de fonctionnement des antennes de chaque direction, le distributeur d’antenne, l’état du feeder et des brettelles sont aussi capable de bien expliquer le déroulement du système d’antenne surtout lorsqu’il s’agit des pertes de puissance avec la présence des réfléchies. La présente invention a pour objet de palier aux insuffisances d’informations et des défauts de mesures fournis par les analyseurs de réseau existants en se basant sur l’utilisation des techniques de codage pour fournir, dans le temps, l’état du système d’antenne. Pour cela on réalise un ensemble de procédés employés pour obtenir les mesures déterminées.

Le fonctionnement et la communication automatique sont gérées par les capteurs et le capteur central. Afin d'éviter la collision des paquets de données ; le mode accès multiple à répartition dans le temps (TDMA) est appliqué.

La présente description de l’invention n’est donnée qu’à titre indicatif et non limitatif elle peut varier selon les formes et les usages des systèmes d’antenne.

La principale motivation de cette méthode est donc de définir un nouveau moyen simple, rapide et compact de mesurer les caractéristiques des antennes. La nouvelle méthode proposée est améliorée par l’efficacité d’un algorithme, elle est appliquée, en principe, pour mesurer l’adaptation d’antenne à différents niveaux de systèmes d’antenne, mais aussi pour tous les autres paramètres des antennes pour le ‘multicasf , le ‘broadcasf ou les antennes pour les réseaux cellulaires fonctionnent en « unicast » (ou « point-à-point).

La Fig.5 est donné à titre d'exemples pour présenter les différentes étapes d’échange des données produite par la méthode de mesure. Elle est structurée par différentes parties constituant l’invention (réseau de capteurs) à savoir :

• Un nœud central installé à la sortie de chaque transmetteur (considérer comme référence) et qui communique sans fil avec tous les capteurs incorporés au niveau des connecteurs de chaque antenne. Il est à noter que chaque type de système antenne (VHF, UHF, parabole, xG) on lui désigne un nœud central.

• Unité d’affichage qui permet d’afficher tous les informations relatives à un type du système d’antenne (le nœud principal et l’unité d’affichage peut être installé dans la salle de contrôle).

• Des capteurs intelligents installés au niveau de chaque connecteur d’entrée d’antenne (panneaux, dipôles, parabole...). Les capteurs intelligents communiquent sans fil et d’une manière bidirectionnelle avec le nœud central concerné d’une distance de 100 m à vol d'oiseau.

Le fonctionnement de la nouvelle méthode proposée est la suivante:

Soit le dessin de modèle représenté dans la Fig. 5, on constate que tous les nœuds présentés dans le réseau atteignent le nœud central en un seul saut. Ce schéma facilite et simplifie tout à fait l’analyse de la méthode d’invention de mesure.

On considère le système d’antenne 1 et on suppose que ce système est composé par cinq antennes, chaque antenne est dotée par un capteur intelligent intégré à son connecteur d’entrée et on suppose que chaque capteur va transmettre un paquet. Afin de simplifier la communication sans fil entres les nœuds, le mode d’accès au support à utiliser dans la méthode sera l’accès multiple à répartition dans le temps (TDMA). Ce support est basé sur le codage réseau aléatoire qui a pour objectif de protéger les paquets transmis vis-à-vis de paquets erronés et/ou perdus. La motivation pour utiliser cette technique de multiplexage, est que la méthode proposée exige que tous les nœuds soient capables de transmettre et de recevoir des données provenant d'autres nœuds et la TDMA c'est le moyen le plus simple de mettre cela en œuvre.

Le schéma d'échange de données sans fil dans la présente méthode (représentant l’efficacité de la mise enjeux de l’algorithme) comprend trois phases distinctes : phase d’envoi, phase de ‘renvoie’ et la phase décodage.

Phase d’envoi : Les cinq capteurs correspondants au cinq antennes sont maintenant en communication sans fil avec le nœud central, dans ce cas on a cinq nœuds, étiquetés comme suit : N ₁ ,N ₂ ,N ₃ ,N ₄ ,N ₅ et un nœud central N _central qui devrait recevoir les informations des capteurs relatives au cinq antennes.

Le nœud N ₁ transmis son paquet p ₁ et le nœud central ainsi que le reste des nœuds restent en silence et écoutent le p ₁ transmis par le nœud N ₁ . Les autres nœuds analysent les informations reçues et vérifient si p ₁ est bien reçu ou non. Si le paquet p ₁ a été correctement reçu, il sera enregistré sinon, p ₁ est rejeté. Dans notre cas on suppose que les nœuds ayant correctement reçu les données sont avec i,j Î (2, 3, 4, 5} . De plus, le nœud central stocke également les données envoyées par le nœud N ₁ .

Comme expliqué précédemment pour le nœud N ₁ , le paquet p ₂ du nœud N ₂ est ensuite immédiatement transmis, tandis que les autres nœuds du système d’antenne 1 écoutent le canal et stockent le p ₂ s'ils estiment qu’il a été parfaitement reçu. Dans ce cas, on peut supposer que seuls les nœuds avec i,j Î { 1,3, 4, 5} stockent le paquet p ₂ . Le nœud central stocke également le paquet p ₂ .

Ces étapes sont répétées pour la transmission des paquets du reste des nœuds ( A ₃ , N ₄ , N ₅ ) du système d’antenne 1. Enfin, le nœud central a reçu tous les paquets

(p ₁ ,p ₂ ,p ₃ ,p ₄ and p ₅ ) par conséquent le vecteur d'information u sera composé par des paquets originaires reçus par tous les nœuds du système d’antenne 1, u = (p ₁ ,p ₂ ,p„p ₄ ,p ₅ ) .

Phase de renvoie : Une fois que tous les nœuds ont transmis leurs paquets, la phase de renvoie commence. Tout d'abord, chaque nœud choisit aléatoirement les paquets reçus correctement lors de la phase précédente. C’est à cette phase que le codage réseau aléatoire intervient, par conséquent les nouveaux formats des paquets renviés peuvent prendre les formats suivants : où le symbole représente la somme binaire. Si par exemple on choisit que le nombre des paquets combinés b = 2, alors les formes des paquets codés sont : , l'expression représente la somme binaire des paquets

Le comportement de la phase de renvoie est assez similaire à celui de la phase précédente. Chaque nœud émet le nouveau paquet qu’il a créé au hasard, alors que le reste des paquets restent silencieux. La principale différence entre les deux phases est que dans cette seconde phase, seul le nœud central doit écouter et stocker les paquets.

Le processus de fonctionnement de cette deuxième phase de renvoie est présenté comme suit:

Premièrement, tous les nœuds du réseau (les capteurs des antennes du système 1) préparent le paquet qu’ils vont transmettre dans la phase de renvoie. Ensuite, le nœud N ₁ renvoie le paquet codé correspondant avec les en-têtes nécessaires pour le décoder dans le nœud central. Le nœud central reçoit et stocke les informations reçues.

Ces étapes sont répétées pour les nœuds N ₂ ,N ₃ ,N ₄ et N ₅ , qui transmettent leurs paquets correspondants .

Enfin, le nœud central a reçu toutes les données (paquets) des deux phases. Ainsi, après ces deux phases, dans notre exemple et à partir de [7] , le vecteur d’information codée , c'est le vecteur résultant d'encoder le vecteur d’information u avec la matrice génératrice G, c = uG ,par conséquent on a : c — uG — [c ₁ ,c ₂ ,...,c _N ,c _N+1 ,c _N+2 ,...,c _2N \ . Pour simplification on suppose par exemple que :

- la réponse élaborée par le nœud

- la réponse élaborée par le nœud

- la réponse élaborée par le nœud

- la réponse élaborée par le nœud

- la réponse élaborée par le nœud

Par conséquent le vecteur d’information codé résultant, après les deux phases, doit être:

Il est donc constitué par les paquets d’origine et les paquets codés comme le montre la Fig.5. Le nœud central peut construire la matrice génératrice G . Pour cela, la matrice qui exprime les équations de parité P est nécessaire. Cette matrice est construite à partir des informations de la phase de renvoie en traduisant les paquets codés dans la matrice P . Par conséquence, la matrice P résultante pour l'exemple précédent est:

Selon l'équation G = I _N P voir [7] , nous pouvons construire la matrice G chargée de générer ce code, qui est la suivante: O O O O 1 O 1 O O 1 O O O O 1 O 1 O O 1 O O O O 1 O 1 O O 1 O O 1 O O 1 O O O 1 1 O O 1 O

L'équation G = I _N P définit que la matrice génératrice G peut être divisée en deux parties.

La première partie : correspond à la matrice identité I _N de taille N avec N = 5 dans notre exemple. Cette matrice représente l'identité de phase d’envoi dans lequel chaque nœud de système d’antenne transmet ses données, et ceci est représenté par 1 pour chaque élément , i Î {1, 5} .

La seconde partie : correspond à la matrice P , qui définit les équations de parité. De cette façon, on peut voir que dans la matrice génératrice G , chaque nœud correspond à deux colonnes, la colonne i pour la transmission durant la phase d’envoi et la colonne N + i pour la transmission durant la phase de renvoie, ce qui correspond à un codage distribué (N = 5 , i Î {1,5}).

De plus, à partir de la matrice P , le nœud central peut construire la matrice H de contrôle de parité, comme indiqué dans [8].

Phase de décodage : Pour décoder les codes LDPC générés dans la méthode de mesures, l'algorithme somme-produit (Sum-Product) défini dans [9] sera utilisé. C'est un algorithme itératif qui estime la probabilité postérieure des paquets à partir de la matrice de contrôle de parité H , les paquets reçus et les probabilités des paquets qui traversent le canal . Plus précisément c’est la matrice de contrôle de parité H qui sera applique pour obtenir le vecteur d'information u transmis.

Manière de l'application de l'invention

Dans l’exemple précédente l’application est limité pour un système d’antenne de 5 éléments, mais lorsqu’il s’agit de plusieurs systèmes dans un endroit plus dense, cas de notre invention, le concept de transmission sans fil par rafales sera largement présenté durant les deux phases. Dans ce cas rafale désigne l'ensemble des paquets que chaque nœud transmet consécutivement durant une durée. Une rafale a une durée T _r quand elle comprend r paquets transmis. Chaque nœud transmet n paquets à tour de rôle de sorte que, si k nœuds interviennent, le temps de cohérence T _c est inférieur à et, par conséquent, une fois le dernier nœud transmis sa dernière rafale le canal change , et le premier nœud initialise son deuxième rafale en offrant des données sur un canal différent de celui de la rafale précédente.

La Fig.6 confirme la bonne transmission des informations entre les capteurs et le capteur central pour diffèrent nombre des antennes. Elle indique que, pour un nombre plus grand d’antennes, la méthode de mesure offre une garantie de transmission des données. Au contraire, cela ne fait qu’augmenter la qualité de service du canal de transmission.

Références

[1] C. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design, 3rd ed. Wiley, 2005.

[2] IEEE, “Ieee standard définitions of terms for antennas,” IEEE Std 145-1983, pp. 1-31, 1983.

[3] C.A. Balanis, Antenna Theory: Analys and Design. Wiley, 1997.

[4] « IEEE standard test procedures for antennas ». ANS I/ IEEE Std 149 - 1979, 1979.

[5] W.H. Kummer et E.S. Gillespie, « Antenna measurements ». Proceedings of the IEEE, vol. 66, no 4, pages 483-507, April 1978.

[6] J. S. Hollis, T.J. Lyon et L. Clayton, Microwave Antenna Measurements. Atlanta, Georgia: Scientific-Atlanta, Inc, July 1970.

[7] El Miloud Ar-Reyouchi, Ahmed Lichioui and Salma Rattal, “A Group Cooperative Coding

Model for Dense Wireless Networks” International Journal of Advanced Computer Science and Applications (IJACSA), 10(7), 2019. http://dx.doi.org/10.14569/IJACSA.2019.0100750

[8] El Miloud Ar-Reyouchi, Youssra Chatei, Kamal Ghoumid, Maria Hammouti and Bekkay Hajji, “Efficient coding techniques algorithm for cluster-heads communication in wireless sensor networks,”AEÜIntemational Journal of Electronics and Communications, Vol. 82, pp. 294-304, September 2017.

[9] D.J.C. MacKay. Good error-correcting codes based on very sparse matrices. Information Theory, IEEE Transactions on, 45(2):399 -431, mar 1999. ISSN 0018-9448. doi: 10.1109/18.748992.