FR3045954A1 - Procede de formation d'un faisceau pointant d'un terminal vers un emetteur, a partir d'au moins un reseau d'antennes du terminal, terminal et programme d'ordinateur correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de formation d'un faisceau à partir d'au moins un réseau d'antennes d'un terminal, ledit au moins un réseau d'antennes comprenant au moins une couche comprenant au moins deux antennes. Selon l'invention, un tel procédé met en œuvre les étapes suivantes : - détermination (11) d'une orientation dudit terminal ; - détermination (12) d'une direction d'arrivée réelle, sur ledit terminal, d'un signal émis par un émetteur, tenant compte de ladite orientation dudit terminal et d'au moins un paramètre géométrique dudit émetteur ; - formation (13), à partir de ladite direction d'arrivée réelle, d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur.

Description

Procédé de formation d'un faisceau pointant d'un terminal vers un émetteur, à partir d'au moins un réseau d'antennes du terminal, terminal et programme d'ordinateur correspondant. 1. Domaine de l'invention

Le domaine de l'invention est celui des communications radio.

Plus précisément, l'invention propose une technique permettant d'orienter le diagramme de rayonnement d'un réseau d'antennes d'un terminal, encore appelé faisceau, vers un émetteur, de façon à améliorer la réception d'informations en voie descendante, ou la transmission d'informations en voie montante. L'invention trouve des applications dans tous domaines nécessitant l'échange d'informations entre un terminal et un émetteur. Un tel émetteur peut être une station de base, par exemple de type eNodeB (en anglais « evolved Node B ») pour les réseaux basés sur les technologies LTE ou LTE Advanced, un point d'accès Wi-Fi, etc. Un terminal peut être de type smartphone, tablette, objet connecté, etc.

En particulier, l'invention trouve des applications dans les réseaux mobiles de communication actuels (3G, 4G, LTE, etc) ou à venir (5G et suivantes), notamment pour les transmissions en visibilité directe (LOS) avec applications mobiles haut débit. 2. Art antérieur

Avec le développement des réseaux d'antennes, les stations de base présentent une plus grande intelligence, et peuvent notamment focaliser leur diagramme de rayonnement selon une direction particulière.

De telles techniques d'orientation de faisceau, en anglais « beam steering » ou « beamforming », reposent sur l'utilisation de plusieurs antennes en réseau, et sur l'activation ou le déphasage de certaines antennes pour diriger le faisceau. L'utilisation de plusieurs antennes en réseau permet en effet de combiner leur capacité de rayonnement pour augmenter le gain ou réduire les interférences dans une ou plusieurs directions prédéterminées. Ainsi, en activant ou en appliquant un déphasage en entrée des antennes du réseau d'antennes, on peut obtenir un décalage de l'axe du lobe principal de l'antenne globale formée par le réseau d'antennes.

Ces techniques d'orientation de faisceau sont notamment utilisées pour viser des terminaux, et améliorer ainsi la transmission d'informations de la station de base au terminal.

Toutefois, la plupart des réseaux existants ne sont pas équipés de telles stations de base pouvant viser des terminaux. Ainsi, la réception d'informations par un terminal peut être de mauvaise qualité.

Afin d'améliorer la réception au niveau des terminaux, il est connu d'estimer le canal de transmission entre l'émetteur et le terminal. Toutefois, dans un contexte de mobilité, l'estimation de canal doit être effectuée à intervalles très courts, afin de tenir compte du déplacement du terminal.

De telles techniques augmentent donc fortement la complexité de la transmission, tant au niveau des émetteurs qu'au niveau des terminaux.

Il existe donc un besoin pour une nouvelle technique permettant notamment d'améliorer la réception d'informations au niveau d'un terminal. 3. Exposé de l'invention L'invention propose une solution à ce problème, sous la forme d'un procédé de formation d'un faisceau à partir d'au moins un réseau d'antennes d'un terminal, ledit au moins un réseau d'antennes comprenant au moins une couche comprenant au moins deux antennes.

Un tel procédé met en oeuvre les étapes suivantes : détermination d'une orientation dudit terminal ; détermination d'une direction d'arrivée réelle, sur ledit terminal, d'un signal émis par un émetteur, tenant compte de ladite orientation dudit terminal et d'au moins un paramètre géométrique dudit émetteur ; formation, à partir de ladite direction d'arrivée réelle, d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur. L'invention propose ainsi une solution nouvelle, basée sur les techniques de « beam steering », permettant à un terminal de pointer vers un émetteur. Autrement dit, l'invention offre la possibilité aux terminaux d'exploiter, dans un contexte de mobilité, la technique de « beam steering » classiquement utilisée pour les stations de base fixes.

Plus précisément, on propose selon l'invention de déterminer, au niveau du terminal, une direction d'arrivée réelle d'un signal émis par un émetteur, encore appelée DoA (en anglais « Direction of Arrivai »), vue du terminal, tenant compte d'une orientation du terminal et d'au moins un paramètre géométrique de l'émetteur, comme sa position et/ou son inclinaison. Les angles d'arrivée réels du signal émis par l'émetteur, fournis par la DoA vue du terminal, sont utilisés pour piloter en conséquence les antennes du réseau d'antennes du terminal.

On joue ainsi sur les différentes antennes du réseau d'antennes du terminal, selon la position et l'orientation réelle du terminal, pour obtenir un décalage de l'axe du lobe principal de l'antenne globale, formée par le réseau d'antennes, dans la direction de l'émetteur.

De cette façon, la solution proposée offre un gain élevé en terme de qualité de transmission, sans grande complexité au niveau du terminal. Elle est plus simple à mettre en oeuvre et moins coûteuse (en termes de ressource de transmission comme en coût physique) qu'une technique à base d'estimation de canal. De plus, une telle technique d'estimation des angles d'arrivée réels peut être mise en oeuvre quelle que soit la fréquence utilisée pour la transmission, alors que les techniques d'estimation de canal deviennent d'autant plus complexes que la fréquence est élevée du fait de la décroissance du temps de cohérence du canal lorsque la fréquence augmente.

En particulier, l'étape de détermination d'une direction d'arrivée réelle tenant compte de l'orientation du terminal et d'au moins un paramètre géométrique de l'émetteur, il est possible de focaliser le faisceau du terminal en direction de l'émetteur même si celui-ci a changé d'orientation.

Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'étape de détermination d'une orientation met en œuvre au moins un gyroscope et/ou au moins un accéléromètre dudit terminal.

Par exemple, l'utilisation de trois accéléromètres (en x, y et z), ou d'un accéléromètre à trois axes, permet de diminuer le temps de calcul et d'augmenter la fiabilité de la mesure. De même, l'utilisation de trois gyroscopes (en x, y et z), ou d'un gyroscope à trois axes, permet d'obtenir une information précise sur l'orientation du terminal.

En particulier, l'étape de détermination d'une orientation dudit terminal met en œuvre une détermination des angles d'inclinaison du terminal par rapport à un référentiel terrestre.

On obtient ainsi une information précise sur l'orientation réelle du terminal, mise à jour en cas de mouvement du terminal.

Selon un premier mode de réalisation, l'étape de détermination d'une direction d'arrivée réelle met en œuvre les étapes suivantes : obtention d'une estimation de la direction d'arrivée dans un référentiel dudit émetteur (^ss< 0s b)î transformation de ladite estimation de la direction d'arrivée dans un référentiel dudit émetteur (05B, 05B), en direction d'arrivée dans ledit référentiel terrestre (θτ,φτ), à partir dudit au moins un paramètre géométrique dudit émetteur ; transformation de ladite direction d'arrivée dans ledit référentiel terrestre (θτ,φτ), en direction d'arrivée réelle (θυΕ,φυΕ) dans un référentiel dudit terminal, à partir desdits angles d'inclinaison.

Il est ainsi possible d'extraire directement la direction d'arrivée sur un terminal que l'émetteur utilise pour le viser, i.e. la DoA vue de l'émetteur, de la convertir dans le référentiel terrestre pour tenir compte des paramètres géométriques de l'émetteur, puis dans le référentiel du réseau d'antennes du terminal pourtenir compte de l'orientation du terminal.

Par exemple, l'étape d'obtention d'une estimation de la direction d'arrivée dans un référentiel dudit émetteur, i.e. DoA vue de l'emetteur, met en œuvre la réception de ladite estimation, transmise dans un canal dédié.

Une telle estimation de la DoA vue de l'émetteur peut être transmise directement de l'émetteur au terminal. En variante, l'estimation de la DoA vue de l'émetteur peut être transmise via un autre émetteur. Par exemple, si l'on considère des communications entre le terminal et un émetteur d'une petite cellule, appartenant à une plus grande cellule avec un émetteur se chargeant de l'envoi des éléments de contrôle (canal, commutation de cellules, ...) pour la grande cellule, l'estimation de la DoA vue de l'émetteur de la petite cellule peut être transmise au terminal par l'émetteur de la grande cellule.

Selon un deuxième mode de réalisation, l'étape de détermination d'une direction d'arrivée réelle met en œuvre les étapes suivantes : détermination de la réponse impulsionnelle d'un canal de transmission entre ledit émetteur et ledit terminal à au moins un instant ; correction de ladite réponse impulsionnelle à partir de ladite orientation dudit terminal ; obtention de ladite direction d'arrivée réelle (θυΕ,φυΕ) à partir de ladite réponse impulsionnelle corrigée.

On détermine ainsi directement au niveau du terminal les angles d'arrivée réels du signal émis par l'émetteur.

En particulier, l'étape de formation d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur peut être mise en œuvre de manière analogique. On applique dans ce cas un déphasage à chaque signal radiofréquence analogique alimentant une antenne distincte dudit réseau d'antennes, pour obtenir un décalage de l'axe du lobe principal de l'antenne globale dans la direction d'arrivée réelle (i.e. des angles d'arrivée réels sur le réseau d'antennes du terminal).

Une telle mise en œuvre analogique, avec par exemple un déphaseur analogique pour chaque antenne, est moins complexe et moins coûteuse qu'une mise en œuvre numérique.

En variante, l'étape de formation d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur peut être mise en œuvre de manière numérique. On applique dans ce cas un précodage à au moins un symbole de données d'au moins un signal radiofréquence numérique alimentant au moins une antenne dudit réseau d'antennes, pour obtenir un décalage de l'axe du lobe principal de l'antenne globale dans la direction d'arrivée réelle (i.e. des angles d'arrivée réels sur le réseau d'antennes du terminal).

Un tel précodage permet de répartir au moins un symbole de donnée sur la totalité des antennes (ou groupe d'antennes dans le cas hybride) en leur appliquant le déphasage nécessaire à effectuer le dépointage du faisceau.

Selon cette variante, ledit précodage met par exemple en œuvre, pour ledit terminal, une multiplication dudit au moins un symbole de données par un vecteur de précodage tel que :

avec : θυΕ, respectivement φυΕ, représentant l'angle en azimut, respectivement en élévation, de ladite direction d'arrivée réelle ;

Mc, respectivement MR, le nombre de colonnes, respectivement de lignes, du réseau d'antennes du terminal, dc, respectivement dR, l'espacement entre deux lignes, respectivement deux colonnes, d'une même couche du réseau d'antennes, et lia longueur d'onde.

On suppose ici un espacement uniforme entre toutes les lignes et colonnes du réseau d'antennes du terminal, pour simplifier la notation, mais une architecture non uniforme de réseau d'antennes est tout à fait possible.

Selon encore une autre variante, l'étape de formation d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur peut être mise en œuvre de manière hybride analogique/numérique.

En particulier, la formation d'un faisceau de manière numérique ou hybride permet d'exploiter la totalité des antennes du réseau d'antennes pour chaque terminal.

En particulier, les étapes de détermination d'une orientation dudit terminal, détermination d'une direction d'arrivée réelle et/ou formation d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur sont mises en œuvre en temps réel, périodiquement, et/ou lors de la détection d'un changement dans la position ou l'orientation dudit terminal.

On pilote ainsi en temps réel, ou régulièrement, les antennes du réseau d'antennes du terminal, de façon à s'assurer que l'axe du lobe principal de l'antenne globale formée par le réseau d'antennes pointe toujours dans la direction de l'émetteur, et optimiser ainsi en permanence la réception de données en voie descendante, ou l'émission de données en voie montante.

Selon un autre mode de réalisation, le terminal comprend au moins deux réseaux d'antennes, chaque réseau d'antennes étant apte à former un faisceau dans un secteur angulaire prédéterminé. Dans ce cas, le procédé comprend une étape de sélection du réseau d'antennes associé au secteur angulaire comprenant ladite direction d'arrivée réelle.

On peut ainsi utiliser plusieurs réseaux d'antennes, pouvant chacun former un faisceau dirigé sur une plage de directions donnée. On optimise ainsi le pointage, en proposant plusieurs faisceaux. Eventuellement, chaque réseau d'antenne peut être associé à une bande de fréquence ou une technique de transmission distincte (par exemple un réseau d'antenne pour une transmission wifi, et/ou un réseau d'antennes pour une transmission bluetooth®, et/ou un réseau d'antennes pour une transmission LTE et/ou un réseau d'antennes pour une transmission 5G, etc...).

Selon encore un autre mode de réalisation, le réseau d'antennes comprend au moins deux couches. Dans ce cas, le déphasage et/ou précodage appliqué à au moins un signal radiofréquence (analogique ou numérique) alimentant au moins une antenne du réseau d'antennes tient également compte d'une distance entre les couches.

Par exemple, les axes Xue>ïue du référentiel du réseau d'antennes du terminal sont placés dans le plan de la première couche du réseau d'antennes. Les angles d'arrivée réels sont donc définis par rapport à la première couche et peuvent être utilisés pour le déphasage et/ou précodage des signaux pilotant les antennes de la première couche. En revanche, on adapte ces valeurs pour le déphasage et/ou précodage des signaux pilotant les antennes des autres couches, pour tenir compte de l'épaisseur entre les couches.

En particulier, le procédé comprend une étape de transmission, audit émetteur, de ladite direction d'arrivée réelle.

De cette façon, le terminal peut informer l'émetteur de l'évolution de sa position, et ainsi réduire le besoin de mettre à jour l'estimation de la DoA au niveau de l'émetteur. Cela augmente ainsi l'efficacité spectrale de la transmission (moins de temps alloué à l'estimation et plus à la transmission). L'invention concerne par ailleurs un terminal comprenant au moins un réseau d'antennes apte à former un faisceau, ledit au moins un réseau d'antennes comprenant au moins une couche comprenant au moins deux antennes.

Selon l'invention, un tel terminal comprend au moins un processeur apte à et configuré pour : déterminer une orientation dudit terminal, avec par exemple au moins un accéléromètre et/ou au moins un gyroscope ; déterminer une direction d'arrivée réelle, sur ledit terminal, d'un signal émis par un émetteur, tenant compte de ladite orientation dudit terminal et d'au moins un paramètre géométrique dudit émetteur ; former, à partir de ladite direction d'arrivée réelle, un faisceau pointant vers ledit émetteur, en pilotant par exemple un module de pilotage des antennes du réseau d'antennes.

Un tel terminal est notamment adapté à mettre en oeuvre le procédé de formation d'un faisceau décrit précédemment. Il s'agit par exemple d'un terminal de type smartphone, tablette, ordinateur portable, objet connecté, etc.

Ce terminal pourra bien sûr comporter les différentes caractéristiques relatives au procédé de formation d'un faisceau selon l'invention, qui peuvent être combinées ou prises isolément. Ainsi, les caractéristiques et avantages de ce terminal sont les mêmes que ceux du procédé de formation d'un faisceau.

En particulier, un tel terminal comprend au moins un réseau d'antennes. Un tel réseau d'antennes comprend plusieurs antennes, que l'on peut piloter de façon électronique, de façon à obtenir une forte directivité du lobe principal de l'antenne globale.

Un tel terminal peut également disposer de plusieurs antennes par bande de transmission (wifi, bluetooth®, LTE, ou 5G, etc...), sans nécessiter l'implémentation de nombreuses chaînes RF.

En particulier, plus le terminal dispose d'antennes (sans nécessairement modifier le nombre de chaînes RF), meilleure est la qualité de réception des signaux émis par l'émetteur/station de base. L'invention concerne encore un ou plusieurs programmes d'ordinateur comportant des instructions pour la mise en oeuvre d'un procédé de formation d'un faisceau tel que décrit ci-dessus lorsque ce ou ces programmes sont exécutés par au moins un processeur. L'invention concerne aussi un support d'informations lisible par un ordinateur, et comportant des instructions d'un programme d'ordinateur tel que mentionné ci-dessus. 4. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 présente les principales étapes d'un procédé de formation d'un faisceau selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; la figure 2 illustre l'obtention des angles d'inclinaison du terminal UE par rapport au référentiel terrestre ; les figures 3A et 3B illustrent la direction d'arrivée, sur un terminal, d'un signal émis par un émetteur ; les figures 4, 5 et 6 présentent respectivement la formation de faisceau de façon analogique, numérique, ou hybride analogique/numérique ; la figure 7 illustre un exemple de réseau d'antennes multi-couches du terminal ; la figure 8 présente la structure simplifiée du terminal des figures 3A/3B mettant en œuvre une technique de formation d'un faisceau dirigé vers l'émetteur, selon un mode de réalisation particulier de l'invention. 5. Description d'un mode de réalisation de l'invention 5.1 Principe général

Le principe général de l'invention repose sur l'utilisation, par un terminal, d'informations de type direction d'arrivée d'un signal émis par un émetteur sur le terminal, et orientation du terminal, pour déterminer les angles d'arrivée réels du signal sur le terminal, et piloter en conséquence un réseau d'antennes du terminal pour obtenir une forte directivité en direction de l'émetteur.

On améliore de cette façon la réception de données transmises par l'émetteur en voie descendante, ou l'émission de données du terminal vers l'émetteur en voie montante.

La figure 1 illustre les principales étapes mises en oeuvre par un terminal pour la formation d'un faisceau à partir d'au moins un réseau d'antennes selon l'invention.

Au cours d'une première étape 11 (orient.), le terminal détermine son orientation.

Au cours d'une deuxième étape 12 (DoA), le terminal détermine une direction d'arrivée réelle d'un signal émis par un émetteur, tenant compte de ladite orientation du terminal et d'au moins un paramètre géométrique de l'émetteur. On considère un référentiel commun pour déterminer l'orientation du terminal et les paramètres géométriques de l'émetteur (par exemple de type inclinaison et position), comme le référentiel terrestre. A partir de cette direction d'arrivée réelle, le terminal peut piloter les antennes de son réseau d'antennes pour former un faisceau pointant du terminal vers l'émetteur, au cours d'une troisième étape 13 (F.F.).

Ces différentes étapes sont détaillées ci-après. 5.2 Description d'un exemple de réalisation A) Notations

On appelle « référentiel du réseau d'antennes de la station de base » un repère d'axes (xSB>ysB>zSB)> centré sur une antenne de référence du réseau d'antennes de la station de base choisie arbitrairement (par exemple au centre de la première couche du réseau d'antennes de la station de base), avec les axes xSB et ySB dans le plan de la première couche du réseau d'antennes de la station de base.

On appelle « référentiel du réseau d'antennes du terminal » un repère d'axes (xuE>yuE>zuE)> centré sur une antenne de référence du réseau d'antennes du terminal choisie arbitrairement (par exemple au centre de la première couche du réseau d'antennes du terminal), avec les axes xUE et yUE dans le plan de la première couche du réseau d'antennes du terminal.

On appelle « référentiel terrestre » un repère d'axes (xT,yT,zT) centré sur le centre de la Terre, commun aux différents équipements du réseau.

On considère un réseau comprenant au moins un émetteur, par exemple une station de base de type eNodeB, mettant en oeuvre ou non une technique de « beam steering », et au moins un terminal, par exemple de type smartphone, échangeant des informations avec la station de base. B) Détermination de l'orientation du terminal

On cherche au cours d'une première étape 11 à déterminer l'orientation du terminal, i.e. son accélération et/ou son inclinaison.

Pour ce faire, on utilise au moins un accéléromètre et/ou au moins un gyroscope équipant le terminal, et permettant d'estimer son mouvement. De tels composants, également connus sous le sigle IMU (« Inertial Measurement Unit »), sont intégrés dans la plupart des terminaux mobiles actuels.

Les accéléromètres donnent une information sur l'accélération du terminal dans l'espace, par exemple dans les trois dimensions du référentiel terrestre si l'on considère un accéléromètre à trois axes / trois accéléromètres. Ils permettent également d'interpréter assez grossièrement l'inclinaison du terminal.

Les gyroscopes mesurent quant à eux la vitesse de rotation (Ô = —) et permettent ainsi dt d'estimer l'inclinaison du terminal à un instant t: 0(t) = J* Ô(li)du. Ils nécessitent d'estimer l'inclinaison à intervalles de temps réguliers et de connaître l'angle d'inclinaison à t = 0. Pour une application numérique, l'utilisation d'un convertisseur analogique numérique (CAN) peut être nécessaire. Dans ce cas, l'angle d'inclinaison s'exprime sous la forme 0[t] æ Ση=οθ[η\Τ5 où Ts est la période d'échantillonnage. On note que la période d'échantillonnage Ts doit être suffisamment élevée pour pouvoir détecter les plus rapides modifications d'inclinaison que le terminal puisse subir.

Le gyroscope étant plus précis que l'accéléromètre pour l'estimation d'inclinaison, on trouve désormais classiquement ces deux composants dans les terminaux mobiles, car très complémentaires.

La figure 2 illustre par exemple l'obtention des angles d'inclinaison Ax ,AY ,AZt du terminal UE par rapport au référentiel terrestre (Χτ>Ύτ>ζτ)> grâce à l'IMU. L'IMU permet donc de connaître l'inclinaison et le déplacement qu'a subis le terminal à chaque instant. A l'issue de cette première étape 11, on obtient donc l'orientation du terminal dans le référentiel terrestre. C) Obtention de la Do A réelle

On cherche, au cours d'une deuxième étape 12, à obtenir la direction d'arrivée réelle (DoA) d'un signal émis par la station de base sur le terminal, i.e. la DoA vue du terminal.

Selon un premier mode de réalisation, le terminal met en oeuvre une réception d'une estimation de la direction d'arrivée dans un référentiel de la station de base (i.e. DoA vue de la station de base), puis une conversion dans le référentiel terrestre, puis dans un référentiel du réseau d'antennes du terminal (i.e. DoA vue du terminal). Différentes techniques peuvent être mises en oeuvre pour l'estimation de la DoA vue de la station de base.

Ainsi, une première technique a été proposée par S. Han et al. dans le document « Reference Signais Design for Hybrid Analog and Digital Beamforming » (IEEE Communications Letters, vol. 18, juillet 2014).

Selon cette technique, la station de base envoie des symboles pilotes portés par plusieurs faisceaux visant des zones précises dans la cellule associée à la station de base, avec au moins un symbole pilote identique par fréquence porteuse. Chaque fréquence porteuse focalise dans une direction particulière.

Le terminal mesure la puissance qu'il reçoit sur chaque fréquence porteuse, et repère celle qui présente le niveau de puissance le plus élevé. Le terminal peut interroger la station de base pour identifier la direction associée à cette fréquence porteuse. En variante, le terminal peut analyser une table d'association fréquence porteuse/direction d'arrivée préalablement transmise par la station de base pour extraire cette information de direction d'arrivée vue de la station de base.

Selon cette première technique, le terminal peut donc extraire directement la DoA que la station de base exploite pour le viser, sans avoir besoin de recevoir d'informations en amont, à part, éventuellement, la table d'association fréquence porteuse/direction d'arrivée qui référence quelle fréquence est associée à quelle direction.

Selon une deuxième technique, la station de base peut envoyer au terminal la DoA vue de la station de base, dans un canal dédié, directement ou via une autre station de base.

Le terminal peut ensuite convertir la DoA vue de la station de base dans le référentiel terrestre (Χτ>ντ>ζτ)ι puis dans le référentiel du réseau d'antennes du terminal (ΧυΕ>ϊυΕ>ζυε)·

Les figures 3A et 3B illustrent un exemple d'estimation de la DoA dans le référentiel de la station de base et dans le référentiel du réseau d'antennes du terminal.

On considère par exemple un terminal UE, communiquant avec une station de base eNodeB. Comme illustré en figure 3B, on considère également que le réseau d'antennes de l'eNodeB est un réseau plan, incliné d'un angle a par rapport à un mur 21 vertical. A titre d'exemple, et par souci de simplification, on considère que le réseau d'antennes du terminal UE est également un réseau plan, faisant face au mur 21.

On considère par ailleurs que le terminal UE connaît la direction dans laquelle vise l'eNodeB, i.e. la DoA vue de la station de base, qu'il a obtenue selon l'une des techniques décrites ci-dessus. Les paramètres angulaires de la DoA exprimée dans le référentiel de la station de base (xSB>ysB>zSB)i i-e· vue de la station de base, au niveau de l'antenne de référence du réseau d'antennes de la station de base, sont notés (#55,0ss)· A partir de la connaissance géométrique de l'environnement de la station de base (par exemple orientation du mur 21 par rapport au référentiel terrestre ([xT,yT,zT) ou aux points cardinaux), on peut exprimer la DoA dans le référentiel terrestre, notée (θτ, φγ) : θψ = Θ$β et Φτ = Φξβ + α

Connaissant la DoA exprimée dans le référentiel terrestre (obtenue à partir de la DoA utilisée par l'eNodeB pour viser le terminal (θ5Β,φ5Β) et de l'inclinaison du réseau d'antennes plan de l'eNodeB par rapport au mur (ou autre support)), et connaissant l'orientation du terminal Αχτ,Αγτ,ΑΖτ, obtenue à partir d'au moins un gyroscope et/ou au moins un accéléromètre, on peut déterminer la direction réelle d'arrivée du signal de l'eNodeB sur le terminal UE, au niveau de l'antenne de référence du réseau d'antennes du terminal, par rapport au référentiel du terminal {χυΕ,γΒΒ, zue)·

On définit pour ce faire des matrices de rotation R0Xl R0Yl et Roz, permettant de passer du référentiel terrestre au référentiel du réseau d'antennes du terminal, pour tenir compte de l'orientation du terminal, telles que :

et

En d'autres termes, les matrices de rotation R0Xl R0Yl et Roz permettent de calculer les nouvelles coordonnées d'un point (xo,yo>zo) du référentiel terrestre (xT,yT,zT) dans le référentiel (XuE>yuE>zUE) du réseau d'antennes du terminal, et donc la direction d'arrivée réelle du point de vue du terminal.

On choisit un point sur l'axe entre l'antenne de référence du réseau d'antennes du terminal UE et l'antenne de référence du réseau d'antennes plan de l'eNodeB, correspondant à la direction d'arrivée du signal émis par l'eNodeB sur le terminal UE.

Par exemple, dans le référentiel terrestre (Χτ>ντ>ζτ)ι on choisit x0 = 1, ce qui nous donne : et z0 = tan (0)

On convertit ensuite ces coordonnées dans le dans le référentiel (XjE>yuE> zue) du réseau d'antennes du terminal, grâce aux matrices de rotation :

et, par suite :

On obtient ainsi une estimation de la direction d'arrivée réelle du signal émis par l'eNodeB sur le terminal UE, dans son propre référentiel, de paramètres angulaires (θυΕ,φυΕ). En d'autres termes, on obtient l'angle en azimut, respectivement en élévation, régissant la direction dans laquelle doit viser le terminal UE pour atteindre l'eNodeB.

On présente ci-après un deuxième mode de réalisation pour la détermination de la direction d'arrivée réelle, vue du terminal.

Selon ce deuxième mode de réalisation, le terminal met directement en oeuvre une estimation de la direction d'arrivée dans un référentiel de son réseau d'antennes (xueiVue^ue)·

Une telle technique d'estimation de la DoA vue du terminal est par exemple présentée dans le document «Direction of Arrivai Estimation with Arbitrary Virtual Antenna Arrays Using Low Cost Inertial Measurement Units », M.A.Yaqoob et al. (IEEE International Conférence on Communications Workshops (ICC), 2013).

Selon cette technique, le terminal mesure la réponse impulsionnelle du canal à plusieurs instants t consécutifs, de façon à former un réseau d'antennes virtuel. La réponse impulsionnelle du canal est corrigée en tenant compte du mouvement du terminal à chaque instant, et la DoA vue du terminal est déduite de la réponse impulsionnelle corrigée. A l'issue de cette deuxième étape 12, on obtient donc la DoA vue du terminal (θυΕ, φυε).

On note que le calcul de ces angles doit être très rapide, et doit être mis à jour souvent (en temps réel, périodiquement, et/ou lors de la détection d'un changement dans la position ou l'orientation du terminal). D) Formation du faisceau

On cherche au cours d'une troisième étape 13 à former un faisceau dirigé vers la station de base, à partir de la DoA réelle obtenue à l'issue de la deuxième étape 12.

Plus précisément, les angles d'arrivée réels peuvent être utilisés pour piloter les antennes du réseau d'antennes du terminal UE pour former un faisceau dirigé vers l'eNodeB, selon la direction donnée par les paramètres angulaires (.θυΕ,φυΕ) par rapport au référentiel du réseau d'antennes du terminal, pour l'antenne de référence. En d'autres termes, ces paramètres angulaires ('βυΕ>Φυε) peuvent être utilisés pour effectuer un « beam steering » du terminal UE vers l'eNodeB.

Cette formation de faisceau dirigé peut être mise en oeuvre de façon analogique, numérique, ou hybride analogique/numérique au sein du terminal.

Selon un premier exemple, illustré en figure 4, la formation du faisceau met en oeuvre un « beam steering » analogique dans la direction de la station de base en utilisant le réseau d'antennes à déphasage analogique d'un terminal.

On applique ainsi un déphasage adapté à chaque signal radiofréquence analogique arrivant sur une antenne distincte du réseau d'antennes du terminal, pour obtenir un décalage de l'axe du lobe principal de l'antenne globale dans la direction d'arrivée réelle dans le référentiel du terminal (i.e. des angles d'arrivée réels sur le réseau d'antennes du terminal).

Si l'on considère un réseau plan, on n'applique pas de déphasage à l'antenne de référence de coordonnées (0,0,0) dans le référentiel (XuE>yuE>zUE) du réseau d'antennes du terminal. En revanche, le déphasage à appliquer à l'antenne de coordonnées (dx,dy, 0) par rapport à l'antenne de référence de coordonnées (0,0,0) dans le référentiel (xUE,yUE,zUE>) du réseau d'antennes du terminal, est :

On considère par exemple un ensemble de données D 41 à transmettre à une station de base. Le bloc de calculs en bande de base BB Process. 42 permet d'effectuer tous les traitements numériques pré-transmission (codage de canal, source, etc...). Les données D pré-traitées sont mises en trame dans un unique signal analogique, et transmises à une chaîne de transmission RF 43. Le signal analogique radiofréquence issu de la chaîne RF 43 est ensuite déphasé pour alimenter les différentes antennes du réseau d'antennes du terminal.

Par exemple, chaque antenne du réseau analogique illustré en figure 4 est précédée d'un déphaseur analogique 451, 452, ..., 45M permettant de dépointer le faisceau dans une direction choisie, i.e. la direction de paramètres angulaires (βυΕ,φυΕ) par rapport au référentiel du terminal pour l'antenne de référence. Ce déphasage est piloté par le bloc DoA estim. 44, permettant d'estimer la direction d'arrivée réelle (βυΕ,φυΕ). On note que dans le cas analogique, la forme du faisceau est non modifiable car dépendante de la structure physique (« hardware ») du réseau d'antennes.

Bien que la figure 4 n'illustre qu'une seule chaîne RF générant un signal radiofréquence analogique, plusieurs chaînes RF peuvent être mises en œuvre, générant chacune un signal radiofréquence analogique, permettant d'implémenter des techniques ΜΙΜΟ classiques, comme le codage temps espace, multiplexage spatial et autre.

Il est également possible d'utiliser plusieurs réseaux analogiques indépendants, ce qui permet d'allouer un réseau d'antennes par terminal.

Selon un deuxième exemple, illustré en figure 5, la formation du faisceau met en œuvre un « beam steering » numérique dans la direction de la station de base.

On applique dans ce cas un précodage à au moins un symbole numérique arrivant sur une antenne du réseau d'antennes du terminal, pour obtenir un décalage de l'axe du lobe principal de l'antenne globale dans la direction d'arrivée réelle dans le référentiel du terminal (i.e. des angles d'arrivée réels sur le réseau d'antennes du terminal).

On considère par exemple un ensemble de données D 51 à transmettre à une station de base. La technique de «beam steering» numérique vise à transmettre des données simultanément à plusieurs utilisateurs, ou plusieurs flux de données simultanément à un seul récepteur. C'est pour cette raison que K symboles de données sont envoyés au bloc de calculs en bande de base 52. Cela permet de précoder K symboles pour K flux spatiaux individuels avec une matrice de précodage.

Le bloc de calculs en bande de base 52 permet de générer un vecteur de M signaux à partir d'un seul symbole de données. Il tient également compte d'une estimation de canal 53. Il permet de déterminer les paramètres angulaires (dUEk,(puEk) pouvant être utilisés pour effectuer un « beam steering » du terminal vers la station de base avec le flux k. Les données D sont mises en trame dans un vecteur de M signaux, et transmises à des chaînes de transmission RF 541, 542, ..., 54M.

Ainsi, les M antennes du réseau d'antennes du terminal sont précédées chacune d'une chaîne RF qui convertit, entre autres, le signal numérique en signal analogique lors de l'émission (et inversement en réception). La formation d'un faisceau dans la direction de la station de base se fait en appliquant un vecteur de précodage wprecodafle à chaque symbole de données k à émettre simultanément, tel que :

avec : 9UEk, respectivement φυε1*, la direction d'arrivée exprimée dans le référentiel du terminal (i.e. l'angle en azimut, resp. en élévation, régissant la direction dans laquelle doit viser le terminal avec le flux k pour atteindre la station de base),

Mc, respectivement MR, le nombre de colonnes, respectivement de lignes, du réseau d'antennes du terminal, dc, respectivement dR, l'espacement entre deux lignes, respectivement deux colonnes, d'une même couche du réseau d'antennes, et λ la longueur d'onde.

On suppose ici un espacement uniforme entre toutes les lignes et colonnes du réseau d'antennes du terminal, pour simplifier la notation, mais une architecture non uniforme de réseau d'antennes est tout à fait possible.

Selon un troisième exemple, illustré en figure 6, la formation du faisceau met en œuvre un « beam steering » hybride analogique/numérique dans la direction de la station de base.

On applique dans ce cas un déphasage à chaque signal radiofréquence analogique pilotant une antenne du réseau d'antennes du terminal, et un précodage à au moins un symbole numérique transmis sur une chaîne RF, pour obtenir un décalage de l'axe du lobe principal de l'antenne globale dans la direction d'arrivée réelle dans le référentiel du terminal (i.e. des angles d'arrivée réels sur le réseau d'antennes du terminal).

Une telle technique hybride permet de conserver un nombre élevé d'antennes dans le réseau d'antennes, tout en réduisant le nombre de chaînes RF. En effet, paralléliser un grand nombre de chaînes RF est complexe. L'étage numérique permet d'effectuer du multiplexage spatial, sous deux formes : soit une transmission multi-utilisateurs (avec un nombre d'utilisateurs inférieur au nombre de chaînes RF), ce qui, dans le cas du terminal, revient à pouvoir viser plusieurs eNodeB proches ou plusieurs réseaux d'antennes d'une même eNodeB suffisamment espacés, soit une transmission mono-utilisateur multi-flux (avec un nombre de flux maximum dépendant du nombre de chaînes RF sur le terminal). L'étage analogique permet de former un faisceau visant une zone particulière de la cellule associée à la station de base, à l'intérieur de laquelle l'étage numérique pourra opérer. Toutes les eNodeB ou réseaux d'antennes d'une même eNodeB en dehors de ce faisceau ne pourront pas bénéficier de la transmission multi-utilisateur (qu'on pourrait appeler ici multi-eNodeB). Plus il y a d'antennes utilisées par l'étage analogique, plus le faisceau formé sera directif, et donc plus la zone couverte sera faible. De ce fait, on limite le bénéfice d'un étage numérique car moins on pourra viser d'eNodeB simultanément. En revanche l'approche mono-user multi-flux va bénéficier grandement d'une telle augmentation d'antennes de l'étage analogique. Cette dernière approche est de loin la plus plausible et utile dans le cas d'un terminal qui ne communique qu'avec une seule eNodeB.

Pour la suite on se place dans le cas mono-utilisateur multi-flux. Comme illustré en figure 6, on considère par exemple un ensemble de données D 61 à transmettre à une station de base. N symboles de données sont envoyés au bloc de calculs en bande de base 62. Le bloc de calculs en bande de base 62 tient également compte d'une estimation de canal et d'une estimation d'angle d'arrivée 63. Les données D sont mises en trame dans des signaux radiofréquence, dans des chaînes de transmission RF 641, ..., 64N. Pour chaque signal radiofréquence, les M antennes du réseau illustré en figure 6 sont précédées d'un déphaseur analogique (651i, ..., 65Ni), ..., (651M, -, 65Nm), permettant de dépointer chaque faisceau dans une direction choisie et contrôlée par le bloc 62.

On note finalement qu'il est possible de viser plusieurs stations de base différentes simultanément avec un tel terminal et que le nombre de flux qu'il est possible de former est inférieur au nombre de chaîne RF, que ce soit en tout numérique ou en hybride. 5.3 Extension à un terminal présentant réseau d'antennes multi-couches

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le réseau d'antennes du terminal comprend au moins deux couches, dont au moins une couche présentant au moins deux antennes.

Dans ce cas, si l'on considère la formation d'un faisceau mettant en oeuvre un « beam steering » analogique dans la direction de la station de base, il est nécessaire de compenser le déphasage engendré par le chemin supplémentaire lié à l'espacement entre les couches d'antennes du réseau d'antenne. Il est possible de calculer ce déphasage à partir de la connaissance de la DoA et des caractéristiques du réseau d'antennes (épaisseur entre les couches, distance entre les antennes). A titre d'exemple, la figure 7 illustre un réseau d'antennes du terminal UE mettant en oeuvre une première couche 71 portant au moins deux antennes, dont l'antenne de référence 711, et une deuxième couche 72 portant au moins deux antennes, dont une antenne d'intérêt 721, au niveau de laquelle on cherche à compenser le déphasage. On suppose que la direction d'arrivée réelle sur l'antenne de référence 711, de paramètres angulaires (fy, <fy·) dans le référentiel terrestre, a été estimée comme détaillé précédemment.

Si on appelle w l'épaisseur entre les deux couches 71 et 72, le déphasage à appliquer à l'antenne de coordonnées (dx, dy, w) par rapport à l'antenne de référence de coordonnées (0, 0, 0) dans le référentiel (xue>Vue> zue) du réseau d'antennes du terminal, est : avec

Dans le cas d'un réseau d'antennes du terminal multi-couches, le déphasage et/ou précodage appliqué à au moins un signal radiofréquence (analogique ou numérique) pilotant au moins une antenne du réseau d'antennes tient donc également compte d'une distance entre les couches. 5.4 Extension à un terminal comprenant plusieurs réseaux d'antennes

Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, le terminal comprend au moins deux réseaux d'antennes, chaque réseau d'antennes étant apte à former un faisceau dans un secteur angulaire prédéterminé.

Dans ce cas, une étape préalable consiste à sélectionner le réseau d'antennes à utiliser, en choisissant par exemple : le réseau d'antennes associé au secteur angulaire comprenant la direction d'arrivée, sur le terminal, d'un signal émis par l'émetteur, ou le réseau d'antennes associé à une bande de fréquence sur laquelle le terminal et l'émetteur souhaitent communiquer, ou le réseau d'antennes associé à une technique de transmission utilisée par le terminal et l'émetteur (Wifi, Bluetooth®, LTE, 5G...)

On peut également considérer un réseau hybride où chaque réseau analogique individuel est relié à une chaîne RF et peut donc être contrôlé en simultané. Cela permettrait donc par exemple d'émettre et recevoir sur plusieurs systèmes normalisés (Wifi, Bluetooth®, LTE, 5G...) simultanément ou sur un seul système mais de plusieurs eNodeB de secteurs angulaires différents. 5.5 Avantages de la solution proposée

La technique selon l'invention procure au moins l'un des avantages suivant : évolutivité des communications : la technique proposée est mise en oeuvre au niveau des terminaux, et non des stations de base. Elle offre donc une solution pour augmenter la qualité de transmission grâce aux terminaux. Par exemple, si l'on se place dans le contexte d'un réseau mobile de type LTE ou 5G, la solution proposée permet d'avoir une évolution progressive des communications grâce à une évolution des récepteurs (terminaux) tout en gardant une architecture fixe pour les stations de base (eNodeB). Dans un contexte de densité de réseaux grandissante, une telle solution est moins coûteuse et plus évolutive que l'installation de nouvelles stations de base, ou la modification de stations de base existantes ; réduction du nombre d'estimation des DoA au niveau de la station de base : le terminal UE peut, selon un mode de réalisation particulier, remonter à la station de base l'évolution de sa position (relative ou non) et ainsi réduire le besoin de réévaluer les DoA au niveau de la station de base par une nouvelle estimation. Cela augmente ainsi l'efficacité spectrale de la transmission (moins de temps alloué à l'estimation et plus à la transmission) ; possibilité d'estimer les DoA vue de la station de base ou du terminal en un temps symbole : le développement de stations de base sans étage analogique permet à ces stations de base de couvrir l'ensemble de leur cellule, au détriment du nombre d'antennes (limité par la complexité de réalisation de ces stations de base en ondes millimétriques), ce qui limite la précision de l'estimation de la DoA vue de la station de base. Si le terminal forme un faisceau en direction de la station de base grâce à son propre réseau analogique selon l'invention, alors la transmission est de même qualité qu'un réseau hybride, en offrant en plus la possibilité à tous les utilisateurs d'être servis en SDMA, s'ils sont suffisamment espacés pour que l'impact de l'interférence inter-utilisateurs ne dégrade pas trop les performances ; peut fonctionner quelle que soit la technique d'estimation de la DoA vue de la station de base et/ou du terminal. 5.6 Terminal

On présente finalement, en relation avec la figure 8, la structure simplifiée d'un terminal mettant en œuvre une technique de formation d'un faisceau pointant d'un terminal vers un émetteur selon un mode de réalisation de l'invention. Seuls les principaux éléments relatifs à la mise en œuvre de la technique selon l'invention sont illustrés.

Le terminal comprend une mémoire 81 comprenant une mémoire tampon, une unité de traitement 82, équipée par exemple d'un microprocesseur μΡ, et pilotée par une application ou un programme d'ordinateur 83, mettant en œuvre les étapes du procédé de formation d'un faisceau selon un mode de réalisation de l'invention. A l'initialisation, les instructions de code du programme d'ordinateur 83 sont par exemple chargées dans une mémoire RAM avant d'être exécutées par le processeur de l'unité de traitement 82. L'unité de traitement 82 reçoit en entrée un signal émis par un émetteur. Le microprocesseur de l'unité de traitement 82 met en œuvre les étapes du procédé de formation d'un faisceau décrit précédemment, selon les instructions du programme d'ordinateur 143, pour former un faisceau dirigé vers l'émetteur.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de formation d'un faisceau à partir d'au moins un réseau d'antennes d'un terminal, ledit au moins un réseau d'antennes comprenant au moins une couche comprenant au moins deux antennes, caractérisé en ce qu'il met en œuvre les étapes suivantes : détermination (11) d'une orientation dudit terminal ; détermination (12) d'une direction d'arrivée réelle, sur ledit terminal, d'un signal émis par un émetteur, tenant compte de ladite orientation dudit terminal et d'au moins un paramètre géométrique dudit émetteur ; formation (13), à partir de ladite direction d'arrivée réelle, d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de détermination (11) d'une orientation met en œuvre au moins un gyroscope et/ou au moins un accéléromètre dudit terminal.
3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite étape de détermination (11) d'une orientation dudit terminal met en œuvre une détermination des angles d'inclinaison (Ax, Ay, Az) dudit terminal par rapport à un référentiel terrestre.
4. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite étape de détermination (12) d'une direction d'arrivée réelle met en œuvre les étapes suivantes : obtention d'une estimation de la direction d'arrivée dans un référentiel dudit émetteur (&amp;SB> <Psb) ; transformation de ladite estimation de la direction d'arrivée dans un référentiel dudit émetteur (θ5Β,φ5Β), en direction d'arrivée dans ledit référentiel terrestre (βτ,φτ), à partir dudit au moins un paramètre géométrique dudit émetteur ; transformation de ladite direction d'arrivée dans ledit référentiel terrestre (0T, φΓ), en direction d'arrivée réelle (θυΕ,φυΕ) dans un référentiel dudit terminal, à partir desdits angles d'inclinaison.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite étape de détermination (12) d'une direction d'arrivée réelle met en œuvre les étapes suivantes : détermination de la réponse impulsionnelle d'un canal de transmission entre ledit émetteur et ledit terminal à au moins un instant ; correction de ladite réponse impulsionnelle à partir de ladite orientation dudit terminal ; obtention de ladite direction d'arrivée réelle (βυε>ΦυΕ) à partir de ladite réponse impulsionnelle corrigée.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite étape de formation (13) d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur applique un déphasage à chaque signal radiofréquence analogique alimentant une antenne distincte dudit réseau d'antennes dudit terminal.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite étape de formation d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur applique un précodage à au moins un symbole numérique alimentant une antenne dudit réseau d'antennes.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit précodage met en œuvre, pour ledit terminal, une multiplication dudit au moins un symbole numérique par un vecteur de précodage tel que :

   avec : θυΕ, respectivement φυε> la direction d'arrivée réelle ; Mc, respectivement MR, le nombre de colonnes, respectivement de lignes, du réseau d'antennes du terminal, d l'espacement entre chaque antenne d'une même couche, et λ la longueur d'onde.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites étapes de détermination d'une orientation dudit terminal, détermination d'une direction d'arrivée réelle et/ou formation d'un faisceau pointant dudit terminal vers ledit émetteur sont mises en œuvre en temps réel, périodiquement, et/ou lors de la détection d'un changement dans la position ou l'orientation dudit terminal.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit terminal comprend au moins deux réseaux d'antennes, chaque réseau d'antennes étant apte à former un faisceau dans un secteur angulaire prédéterminé, et en ce que ledit procédé comprend une étape de sélection dudit réseau d'antennes associé au secteur angulaire comprenant ladite direction d'arrivée réelle.
11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ledit réseau d'antennes comprend au moins deux couches, et en ce que ledit déphasage et/ou précodage tient également compte d'une distance entre lesdites couches.
12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de transmission, audit émetteur, de ladite direction d'arrivée réelle.
13. 13. Terminal comprenant au moins un réseau d'antennes apte à former un faisceau, ledit au moins un réseau d'antennes comprenant au moins une couche comprenant au moins deux antennes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un processeur apte à et configuré pour : déterminer une orientation dudit terminal ; déterminer une direction d'arrivée réelle, sur ledit terminal, d'un signal émis par un émetteur, tenant compte de ladite orientation dudit terminal et d'au moins un paramètre géométrique dudit émetteur; former, à partir de ladite direction d'arrivée réelle, un faisceau pointant vers ledit émetteur.
14. 14. Programme d'ordinateur comportant des instructions pour la mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 1 lorsque ce programme est exécuté par un processeur.