Les systèmes d’antenne avancés jouent un rôle crucial dans les communications modernes. Ils assurent une connectivité sans faille dans les systèmes de communication sol-sol et sol-air. Et dans le paysage en constante évolution des antennes utilisées pour les communications, les demandes d’amélioration des performances augmentent de façon exponentielle. Les progrès des antennes de communication et l’expansion du spectre électromagnétique utilisable ont ouvert la voie à l’amélioration de la vitesse du signal, de la capacité du réseau et de la couverture. Cet article explore les technologies de pointe des systèmes d’antenne tels que MIMO et les systèmes d’antenne distribuées (DAS) qui permettent l’ère moderne de la communication sans fil dans l’aérospatiale et les applications sol-sol.
Les systèmes d’antenne reposent sur la technologie MIMO
L’époque des antennes simples et extensibles à l’arrière d’une radio portable est révolue. Aujourd’hui, de nombreux systèmes d’antenne modernes utilisent la technologie MIMO (Multi-input Multi-Output). La technologie MIMO implique l’utilisation de plusieurs antennes au niveau de l’émetteur et du récepteur afin d’améliorer le débit du signal et sa fiabilité. En tirant parti du multiplexage spatial, la technologie MIMO permet la transmission simultanée de plusieurs flux de données sur la même bande de fréquences. Le MIMO standard utilise généralement 2 à 6 antennes émettrices et réceptrices pour envoyer et recevoir des données.
Les systèmes satellitaires et aérospatiaux dotés de plusieurs antennes peuvent utiliser les techniques MIMO pour améliorer les débits des données et la qualité des communications sol-air. La technique MIMO est particulièrement utile pour l’accès à l’Internet par satellite, la diffusion vidéo en continu et les applications de communication à forte intensité de données.
La MIMO massive (appelée en abrégé mMIMO) élargit considérablement l’échelle de la MIMO de la génération précédente. Par exemple, les antennes réseau mMIMO modernes d’Ericsson, telles que le produit AIR 6476, comportent 64 branches d’émetteur et 64 branches de récepteur.
La technologie mMIMO est un élément clé des réseaux 5G. Elle permet de déployer de nombreuses antennes au niveau d’une station de base radio, ce qui augmente la capacité du réseau et offre une meilleure couverture. Un logiciel d’antenne avancé peut contrôler ces réseaux MIMO massifs pour détecter les interférences, façonner intelligemment la cellule de distribution du réseau et réduire les interférences intercellulaires.
Le multiplexage augmente la puissance du signal
Le multiplexage est une technique couramment utilisée dans les systèmes MIMO pour transmettre plusieurs « flux » d’informations uniques fonctionnant à la même fréquence ou à des fréquences différentes à partir de différentes antennes. Ces flux de données sont ensuite reçus par des antennes indépendantes, où chaque signal est recombiné pour former le signal original. Étant donné que chaque signal subit sa propre distorsion au cours de son trajet entre les antennes, l’antenne MIMO réceptrice doit ajuster les différents flux de signaux en fonction de la distorsion à l’aide d’un traitement numérique avancé des signaux afin de reconstruire le signal d’origine.
Les techniques de multiplexage, telles que la modulation d’amplitude en quadrature (QAM), peuvent augmenter la force globale du signal et accélérer les taux de transfert de données entre les assemblages d’antennes. La QAM peut transmettre des données sur plusieurs canaux d’antenne simultanément, ce qui augmente le nombre total de canaux que l’ensemble du système d’antenne peut transmettre. La QAM est particulièrement utile dans les systèmes de communication par satellite, tels que Starlink, car le spectre de fréquences limité doit être utilisé efficacement pour accueillir des utilisateurs multiples et des débits de données élevés.
Les antennes individuelles ont une quantité fixe de données qu’elles peuvent transmettre par seconde et par Hertz. En étant capable de diviser un seul grand signal en plus petits « flux » compatibles avec la capacité d’une seule antenne, les grands signaux de données peuvent être transmis par une série dynamique de nombreuses antennes plus petites. La QAM est conçue pour décomposer un signal d’antenne unique en plusieurs flux plus petits. Les antennes multiples permettent d’augmenter la largeur de bande en ajoutant des canaux supplémentaires de la même fréquence de signal, et d’améliorer la précision grâce à la formation de faisceaux.
Les capacités de multiplexage ont été développées à l’origine pour la 4G LTE et jouent désormais un rôle crucial dans la 5G en permettant la transmission de données à grande vitesse tout en maintenant l’efficacité des antennes et du spectre.
La diversité spatiale permet aux signaux de couvrir de longues distances
Les signaux sans fil qui couvrent de grandes distances peuvent souffrir de phénomènes d’évanouissement ou d’interférences dues à des obstacles ou à des interférences électromagnétiques. Les techniques de codage spatial diversifié peuvent être considérées comme une communication multicanal redondante. Ces techniques sont utilisées pour envoyer plusieurs copies du même signal par l’intermédiaire de plusieurs antennes d’émission physiquement séparées (même si elles sont déjà multiplexées).
En outre, plusieurs antennes physiquement séparées les unes des autres reçoivent ces signaux dupliqués, même s’il est probable que ces signaux soient corrompus. Toutefois, compte tenu de la différence de trajet du signal, chaque signal corrompu individuellement peut être combiné, ce qui réduit l’impact du phénomène d’évanouissement du trajet et rétablit la fiabilité du signal.
Compte tenu de la nature des besoins de communication à longue distance dans les applications aérospatiales, les techniques de diversité spatiale minimisent efficacement l’évanouissement du signal et les interférences pour les communications aérospatiales.
La formation de faisceaux envoie les signaux de manière efficace
Courante dans les applications à antennes multiples, telles que les systèmes MIMO et les systèmes d’antennes distribuées, la formation de faisceaux est une technique avancée d’optimisation des réseaux d’antennes qui concentre les signaux radio dans une direction spécifique afin d’augmenter la couverture et la capacité d’un réseau sans fil. Les modèles d’antennes sont intelligemment ajustés pour créer une interférence positive des ondes électromagnétiques individuelles entre elles dans une direction très spécifique. Cette stratégie permet une amplification ciblée du signal, une réduction des interférences et une qualité maximale du signal.
La formation de faisceaux est obtenue en ajustant la phase et le gain d’un signal RF unique émis par plusieurs antennes. Dans les applications MIMO, chaque antenne peut envoyer différents signaux qui peuvent être combinés, chacun étant pondéré avec son propre gain et sa propre phase pour créer une forme de faisceau multicanal. Ce type de formation de faisceaux permet d’envoyer des signaux totalement différents dans de nombreuses directions à l’aide d’un seul réseau d’antennes MIMO.
La formation de faisceaux est très importante dans les systèmes de communication aérospatiaux, en particulier pour les communications air-sol, où l’efficacité énergétique est essentielle. Les techniques de formation de faisceaux permettent aux satellites ou aux aéronefs de concentrer leurs transmissions vers des endroits spécifiques, tels que des stations au sol ou d’autres aéronefs, afin de maximiser la qualité du signal et de minimiser les interférences.
Les systèmes d’antennes distribuées répartissent uniformément la couverture
Bien que les antennes individuelles modernes soient excellentes pour augmenter la capacité, les systèmes à antenne unique peuvent ne pas être utilisables dans tous les environnements. Dans les grands bâtiments où la pénétration du signal est faible ou les interférences importantes, les systèmes d’antennes distribuées (DAS) peuvent fournir la couverture réseau nécessaire. Le DAS consiste en un réseau d’antennes réparties dans un bâtiment et conçues pour se coordonner afin de maximiser la connectivité et de minimiser les signaux perdus.
Les réseaux DAS sont conçus pour compléter les stations de base du réseau, telles que les tours cellulaires 4G et 5G, en étendant les réseaux dans les bâtiments où une seule antenne ne peut pas fournir une couverture fiable. Les systèmes d’antennes distribuées prennent généralement en charge tous les principaux opérateurs de réseaux et peuvent être comparés conceptuellement à des prolongateurs de portée Wi-Fi, mais pour les réseaux cellulaires.
Les DAS peuvent varier en taille pour prendre en charge des bâtiments allant de petits espaces de bureaux de 10 000 pieds carrés avec 2 à 4 systèmes de répéteurs cellulaires à de grands immeubles de plus de 500 000 pieds carrés. Les systèmes d’antennes distribuées en extérieur peuvent couvrir de vastes zones densément peuplées, y compris les rues animées des villes, les parcs zoologiques et les sites accueillant des événements. Dans les applications aérospatiales, les systèmes DAS sont couramment utilisés à l’intérieur des grands avions pour fournir une couverture et une capacité sans fil uniformes.
Technologie des antennes de communication pour les applications aérospatiales
Les technologies d’antenne avancées jouent un rôle essentiel dans les systèmes de communication sol-air et sol-sol. Des solutions de connectivité sans fil fiables et performantes sont de plus en plus essentielles pour les applications aérospatiales, notamment les communications par satellite, entre avions, entre avions et sol, et avec les passagers en vol. À mesure que l’industrie aérospatiale évolue, ces solutions d’antennes joueront un rôle déterminant pour garantir que les demandes croissantes de communication sont satisfaites avec une couverture efficace, fiable et sûre.
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