FR2984044A1 - Terminal de communication mimo avec controle de puissance - Google Patents

Abstract

L'invention concerne l'émission de signaux dans un système de transmission sans fil multi-antennes de type MIMO NxN. Pour améliorer la gestion de la puissance du côté émission lorsqu'on connaît le débit de données nécessaire, on propose de gérer le nombre de chaînes effectivement utilisées dans l'émission lorsqu'il s'avère que le débit de données souhaité peut être atteint avec un nombre de chaînes inférieur à N. Une manière de supprimer une chaîne d'émission consiste à couper l'alimentation en énergie de cette chaîne et en particulier couper l'alimentation de l'amplificateur de puissance (PA_1, PA_2, etc.) de la chaîne. Mais on peut aussi agir de manière plus précise sur la consommation de chaque amplificateur de puissance pour la limiter au minimum nécessaire. Pour cela, on agit (circuit PCTRL) sur les points de polarisation au repos des amplificateurs de puissance des chaînes utilisées, en les écartant de la position qui permet théoriquement une transmission avec un maximum de puissance.

Description

L'invention concerne l'émission de signaux dans un système de transmission sans fil multi-antennes de type MIMO (de l'anglais "Multiple Input Multiple Output"). Sont particulièrement concernés ici les réseaux domestiques multimédia sans fil à haut débit capables de transmettre soit des données binaires à débit relativement bas soit des signaux vidéo numériques à beaucoup plus haut débit. L'application typique dans un environnement domestique (habitation ou bureau) est la transmission de données ou d'un signal vidéo numérique, y compris éventuellement un signal vidéo haute définition, entre deux boîtiers électroniques séparés, dans un local de dimensions assez modestes (quelques centaines de mètres carrés par exemple). L'un des boîtiers est appelé "point d'accès" ; il est connecté par voie filaire à un réseau de communications (réseau internet) et reçoit de ce réseau des flux de signaux qu'il ré-émet par des antennes. L'autre boîtier, équipé d'antennes de réception, est appelé "station de réception" ; il reçoit les données et les utilise. La station de réception peut-être un boîtier électronique connecté à un téléviseur (en anglais : "TV set top box"). La dénomination "station de réception" indique que la fonction principale de la station est de recevoir des données, mais cette station peut également émettre des données pour dialoguer avec le point d'accès. Le point d'accès utilise la technologie MIMO qui est une technique d'émission multi-antennes permettant d'améliorer les performances de la transmission en terme de débit et en terme de robustesse, dans les environnements où les risques d'interférences sont importants du fait des multi-trajets de propagation entre émetteur et récepteur. La technologie MIMO consiste à émettre ou recevoir des signaux en utilisant plusieurs chaînes de transmission (et de réception, mais on s'intéresse ici à la transmission) émettant par des antennes différentes ; ainsi on émet des signaux indépendants les uns des autres et on diminue le risque de pertes de données par évanouissement dû à une combinaison destructive du fait de trajets de propagation différents.

Par exemple, un système MIMO utilise trois canaux d'émission et trois canaux de réception et on parle alors de MIMO 3x3. S'il y avait N canaux d'émission et M canaux de réception on parlerait de MIMO NxM. Les antennes sont partagées entre l'émission et la réception par un système de commutateurs ; en effet, les moments d'émission sont distincts des moments de réception, et les mêmes antennes peuvent donc servir à la fois en émission et en réception. Il y a en général une antenne omnidirectionnelle par voie, mais il peut arriver qu'on ait plusieurs antennes directives par voie. Un système MIMO NxM comprend en général, en ce qui concerne la partie émission : - une puce de circuit intégré MIMO qui reçoit des données à émettre, qui les traite et les utilise pour moduler en numérique des porteuses radio-fréquence et pour transmettre des signaux modulés RF sur les N sorties de la puce ; - N amplificateurs de puissance ayant leurs entrées connectées respectivement à chacune des N sorties du circuit intégré MIMO ; - N antennes reliées chacune à une sortie d'un amplificateur de puissance respectif. La puce MIMO est organisée avec un programme de fonctionnement incluant ce qu'on appelle des schémas de modulation et codage (MCS, de l'anglais "modulation and coding schemes"). Le programme permet de choisir le type de modulation des fréquences porteuses (notamment : modulation d'amplitude et modulation de phase) et le type de codage (nombre de bits de chaque symbole transmis). Le choix est fait en fonction du type de données à transmettre, c'est-à-dire qu'il dépend à la fois d'un débit de données à transmettre et d'une qualité de service demandée (on reviendra plus loin sur ce dernier point). Les schémas de modulation et codage les plus courants sont des modulations BPSK ("Binary Phase Shift Keying" : modulation de phase à deux états de phase), QPSK ("Quadrature Phase Shift Keying" ou "Quaternary Phase Shift Keying" : modulation à quatre états de phase), 8- PSK (modulation à 8 états de phase), 4QAM (modulation à deux états d'amplitude et deux états de phase) , 16QAM (modulation à seize états mixtes amplitude-phase), 64QAM (modulation à 64 états mixtes d'amplitude et de phase). D'autres schémas existent. Dans ce type de réseau domestique (habitation ou bureau) sans fil il y a en particulier deux questions auxquelles on doit porter une attention particulière : - le problème de la puissance électromagnétique rayonnée dans l'environnement ; elle doit être suffisante, vu du côté de la réception, pour que la station de réception capte sans erreur le flux de données émises, mais elle doit être limitée aux valeurs acceptables selon les normes en vigueur pour les bandes de fréquences utilisées ; - le problème de la consommation énergétique globale du système d'émission : elle est très supérieure à la puissance rayonnée car les amplificateurs de puissance en sortie de la puce MIMO ont en général des rendements relativement faibles ; c'est le cas en particulier lorsque les amplificateurs fonctionnent en classe A pour avoir une bonne linéarité ; ils ont un rendement inférieur à 20%, pouvant même descendre à quelques pourcents pour de faibles puissances rayonnées.

Dans l'art antérieur, pour agir sur la puissance rayonnée et sur la puissance consommée, on utilisait essentiellement les voies suivantes : - mise en veille en cas de non utilisation ; c'est la base minimale pour réduire l'énergie consommée ; - réduction de la puissance rayonnée par atténuation du signal présenté à l'entrée des amplificateurs de puissance ; cette dernière réduction pouvait résulter d'une information renvoyée par une station de réception sur la puissance qu'elle reçoit. Dans le cas d'un système de communication multi-antennes avec une puce MIMO à N chaînes d'émission, on adoptait le plus souvent un choix de schéma de modulation et codage tendant à maximiser le débit binaire, et cela en fonction de la puissance effectivement reçue par le récepteur. La station de réception renvoyait à cet effet une information de puissance de signal reçu (information RSSI de l'anglais "Receiver Signal Strength") et éventuellement une information de taux de trames perdues (FLR de l'anglais "Frame Loss Rate"). Le point d'accès en tirait une information sur l'opportunité d'un changement de schéma de modulation et codage en cas de puissance de réception trop faible pour passer à un schéma n'autorisant qu'un débit plus faible. En effet, pour des schémas de modulation à haut débit (64QAM par exemple), le rapport signal/bruit à la réception exige une puissance reçue supérieure à celle qui est nécessaire en bas débit. Par conséquent une réception correcte pouvait exiger de modifier le schéma de modulation et codage en passant par exemple à un schéma 16QAM, sans implication directe toutefois sur la puissance consommée par la station d'émission. Dans tous les cas, le choix était fait dans un sens tendant à maximiser le débit transmis et ce n'est qu'en cas de réception insuffisante qu'on changeait de schéma de modulation et codage. L'utilisation de N chaînes d'émission fonctionnant en parallèle augmentait bien sûr, et c'est justement le principe des systèmes MIMO, la puissance reçue par la ou les stations de réception. Pour améliorer la gestion de la puissance consommée du côté émission lorsqu'on connaît le débit de données nécessaire pour un type de données à transmettre, l'invention propose d'abord de gérer le nombre de chaînes effectivement utilisées dans l'émission ; on supprime une ou plusieurs chaînes d'émission parmi les N chaînes disponibles, lorsqu'il s'avère que le débit de données souhaité peut être atteint avec une qualité de service donnée avec un nombre de chaînes inférieur à N. Une manière de supprimer une chaîne d'émission consiste à couper l'alimentation en énergie de cette chaîne et en particulier couper l'alimentation de l'amplificateur de puissance de la chaîne ou au moins de l'étage de sortie de cet amplificateur, c'est-à-dire l'étage qui consomme le plus d'énergie.

Ensuite, l'invention propose d'agir de manière plus précise sur la polarisation au repos de chaque amplificateur de puissance pour limiter la consommation au minimum nécessaire pour permettre d'émettre avec le débit souhaité et la qualité de service demandée. Pour cela, on agit sur le point de polarisation au repos de l'étage de sortie de l'amplificateur en l'écartant de la position qui permet théoriquement une transmission avec un maximum de puissance. En effet, le point de polarisation au repos est un facteur très important dans le rendement donc la consommation de puissance moyenne de l'amplificateur de puissance. De plus, le terminal de communication reçoit de préférence d'un récepteur une information de niveau de puissance et de qualité du signal reçu par le récepteur ; il utilise cette information pour décider de la suppression d'une chaîne et/ou pour décider de la modification de point de polarisation de l'amplificateur de puissance d'une chaîne utilisée. Ainsi, alors que dans la technique antérieure on cherchait avant tout à maximiser le débit transmis (en assurant une réception suffisante par le récepteur) sans se préoccuper de réduire la puissance émise et surtout la puissance consommée, l'invention propose au contraire de minimiser la puissance consommée pour un débit de données demandé et pour une qualité de service demandée. Cette minimisation se fait par action sur le nombre de chaînes utilisées et sur le point de polarisation au repos des amplificateurs de ces chaînes.

L'optimisation de la puissance consommée se fait dynamiquement pendant le fonctionnement, ceci en fonction des contraintes imposées par l'environnement et en fonction du débit binaire demandé et de la qualité de service demandée.

En synthèse de ces principes, l'invention propose un procédé pour configurer le fonctionnement d'un terminal de communication multi-antennes dans un système de communication sans fil, le terminal comprenant N chaînes d'émission de signal, N>1, chaque chaîne comportant un amplificateur de puissance respectif pour l'émission de signaux modulés en fonction de données numériques à transmettre, le procédé comprenant les opérations suivantes : - réception, en même temps que des données à re-transmettre, d'une information de débit binaire souhaité et une information de qualité de service de transmission souhaitée, - sélection d'un schéma de modulation et codage permettant d'atteindre le débit de données souhaité, parmi P schémas possibles utilisant de une à N chaînes d'émission, en fonction de la consommation de puissance moyenne engendrée par ces différents schémas, - et modification des conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance des chaînes en fonction du schéma sélectionné 10 et en fonction de la puissance d'émission nécessaire pour une communication selon ce schéma. Cette modification inclut une coupure de l'alimentation en énergie de l'amplificateur de puissance d'au moins une des N chaînes d'émission si le schéma sélectionné utilise un nombre de chaînes inférieur à N ; elle inclut 15 de préférence aussi une modification du point de polarisation au repos de l'étage de sortie d'au moins un amplificateur d'une chaîne utilisée, pour écarter ce point de polarisation de la position qui permet une puissance d'émission maximale, si la puissance d'émission nécessaire pour le schéma sélectionné n'est pas la puissance maximale possible pour l'amplificateur. 20 Ainsi, bien que le terminal MIMO NxN possède N chaînes, il fonctionnera avec un nombre de chaînes d'émission inférieure à N si le débit binaire et la qualité de service peuvent être obtenues avec un nombre inférieur à N. Et on fera en sorte de changer les conditions de polarisation des amplificateurs, de manière à les mettre en situation d'avoir un meilleur 25 rendement pour la puissance à émettre, s'ils n'ont pas besoin d'émettre la puissance maximale. Dans la pratique, la sélection d'un schéma de modulation et codage comprend : 30 - la présélection d'au moins un schéma de modulation permettant d'atteindre le débit de données souhaité, parmi P schémas possibles utilisant de une à N chaînes d'émission, - l'évaluation de la puissance radiofréquence à émettre en sortie des amplificateurs pour chaque schéma de modulation permettant d'atteindre le débit binaire demandé, en tenant compte de la qualité de service demandée, - la sélection d'un schéma de modulation parmi les schémas nécessitant les puissances d'émission les plus faibles. La modification des conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance des chaînes se fait en fonction de la puissance d'émission nécessaire, dans un sens tendant à minimiser la consommation de puissance moyenne des amplificateurs. L'évaluation de la puissance d'émission nécessaire comprend le calcul, pour chaque schéma de modulation et codage permettant d'atteindre le débit requis, d'un bilan de liaison comprenant au moins une estimation de puissance reçue par une station de réception et une marge de puissance dépendant de la qualité de service demandée. L'évaluation de la puissance d'émission nécessaire peut utiliser une information, renvoyée par une station de réception, sur le niveau de puissance reçue par la station de réception. Le calcul de bilan de liaison est de préférence itératif. On part d'une puissance d'émission donnée, on calcule le bilan de liaison, on le compare à un seuil de bilan minimum souhaitable, et on décrémente ou incrémente la puissance d'émission pour recommencer itérativement le calcul et la comparaison jusqu'à atteindre le seuil minimum souhaitable. Le plus simple est de partir de la puissance d'émission maximale que peuvent émettre les amplificateurs et de décrémenter progressivement cette puissance. Outre le procédé de configuration dont les principes viennent d'être données, l'invention propose un terminal de communication multiantennes pour un système de communication sans fil, le terminal 30 comprenant : - N chaînes d'émission de signal, N>1, chaque chaîne comportant un amplificateur de puissance respectif pour l'émission de signaux modulés en fonction de données numériques à transmettre, - des moyens pour recevoir, en même temps que des données à re-transmettre, un débit binaire souhaité et une information de qualité de service de transmission, - un programme de configuration de schémas de modulation et codage du terminal, permettant de mettre en oeuvre un schéma de modulation et codage parmi P schémas possibles, caractérisé en ce que le terminal comporte des moyens pour évaluer la puissance radiofréquence à émettre sur les antennes pour chaque schéma de modulation permettant d'atteindre le débit binaire demandé, en tenant compte de la qualité de service demandée, des moyens pour sélectionner un schéma de modulation parmi les schémas nécessitant les puissances les plus faibles, et des moyens pour modifier les conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance des chaînes en fonction du schéma sélectionné et en fonction de la puissance d'émission nécessaire, dans un sens tendant à minimiser la consommation de puissance moyenne des amplificateurs.

Les schémas de modulation et codage possibles utilisent toutes les configurations à partir de une seule chaîne d'émission jusqu'à N chaînes d'émission (et pas seulement des schémas pour les N chaînes à la fois), et la modification des conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance comprend la coupure de l'alimentation en énergie d'au moins une des N chaînes d'émission si le schéma de modulation sélectionné utilise un nombre de chaînes inférieur à N. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un système domestique de communication sans fil auquel l'invention est applicable ; - la figure 2 représente la structure générale de la partie émission d'un terminal de communication selon l'invention ; - la figure 3 représente des exemples de courbes de consommation d'un amplificateur de puissance en fonction de la puissance rayonnée pour différents rapports cycliques de modulation ; - la figure 4 représente une courbe de puissance consommée ou de courant d'alimentation de polarisation de l'étage de sortie d'un amplificateur de puissance, en fonction de la puissance émise ; - la figure 5 représente une possibilité de commande d'alimentation d'un amplificateur individuel ; - la figure 6 représente un organigramme général du processus de contrôle des amplificateurs ; - la figure 7 représente un organigramme plus détaillé ; - la figure 8 représente un exemple de diagramme de débits de transmission possibles avec différents schémas de modulation et codage ; - la figure 9 représente un diagramme de réduction de consommation possibles grâce à l'invention ; - la figure 10 représente un exemple de commande de courant de polarisation de l'étage de sortie d'un amplificateur.

Sur la figure 1, on a représenté symboliquement un système de communication domestique sans fil dans lequel on peut mettre en oeuvre l'invention. Dans ce système, on considère qu'il y a un point d'accès AP, qui est un terminal de communication capable de recevoir (par une liaison filaire au réseau internet par exemple) et retransmettre (par voie hertzienne, ici par exemple dans la bande des 5 GHz) des données numériques, et deux stations d'utilisation de ces données. Les stations d'utilisation sont typiquement deux boîtiers associés à des postes de télévision désignés par TVSET sur la figure 1 ; ces boîtiers (en anglais "Set Top Box") sont désignés par les références STB. La communication est principalement du point d'accès AP vers les stations STB, mais les stations peuvent aussi renvoyer des données vers le point d'accès. On s'intéressera dans la suite essentiellement au point d'accès car c'est lui qui consomme et rayonne le plus de puissance et qui nécessite donc tout particulièrement un contrôle de consommation et de puissance rayonnée, mais l'invention est applicable aussi aux stations de réception lorsqu'elles fonctionnent pour émettre des données. Le point d'accès AP reçoit d'internet et retransmet différentes sortes de données, et notamment des données à débit relativement faible et des données à haut ou très haut débit. Les données à bas débit peuvent être des informations (DATA) à destination de l'utilisateur ; les données à haut débit peuvent être un signal vidéo numérique (video) ; les données à très haut débit peuvent être un signal de télévision numérique haute définition (HD video). On associe aux données transmises par internet une information de débit binaire demandé (DBR) pour permettre cette transmission, ainsi qu'une information de qualité de service (QoS) ; cette dernière représente des exigences différentes de bilan de liaison selon le type de données à retransmettre, ici typiquement trois qualités de service : "données" (données à bas débit), "vidéo" (vidéo standard), et "HD vidéo" (vidéo à haute définition). Ces deux informations QoS et DBR sont reçues en général par le point d'accès en même temps que les données à re-transmettre, et elles influent sur le programme de fonctionnement du terminal de communication. A titre d'exemple, une qualité de service "données" sera associée à un débit qui peut être inférieur à 1 Mbit/s ; une qualité de service "vidéo" peut requérir entre 2 et 8 Mbits/s ; une qualité de service "vidéo HD" peut requérir 15 Mbits/s ; et enfin, une transmission simultanée de plusieurs signaux vidéo haute définition pourra nécessiter un débit de 50 Mbits/s. La figure 2 représente un schéma bloc de la partie émission du terminal AP. La partie réception n'est pas représentée, mais il faut signaler qu'elle utilise les mêmes antennes et la même puce de circuit intégré que la partie émissive. Le terminal comprend essentiellement une puce de circuit intégré MIMO (de l'anglais "Multiple Input Multiple Output") qui traite les données numériques reçues à son entrée pour les convertir en signaux radiofréquence modulés. Les signaux sont modulés par N chaînes d'émission différentes et sont émis sur N sorties de la puce. Ces sorties sont reliées chacune à l'entrée d'un amplificateur de puissance respectif PA_1 à PA _N et les sorties des amplificateurs sont appliquées à N antennes différentes (en général omnidirectionnelles) représentées sur la figure 2 comme un système d'antennes ANT. Une puce MIMO à N chaines d'émission et N chaînes d'émission est appelée puce MIMO NxN. En général il y a autant de chaînes de réception que de chaînes d'émission. Le traitement des données numériques et la modulation des signaux radiofréquence sont effectués dans un coeur de circuit qui est désigné par MIMO_CORE sur la figure 2. Une des caractéristiques des circuits de traitement MIMO est qu'ils sont capables de moduler les signaux radiofréquence selon plusieurs schémas de modulation et codage différents, et le choix du schéma est en général fait pour que le récepteur reçoive un débit de données aussi élevé que possible (sans erreur). Certains débits de données plus élevés sont plus sujets à des erreurs si le récepteur est trop éloigné et on peut être amené alors à changer le schéma de modulation et codage pour passer à une modulation plus sûre mais à débit moindre. Le coeur de circuit MIMO _CORE gère habituellement ce choix de schéma en fonction d'informations provenant du récepteur, et notamment en fonction d'une information de puissance reçue et/ou de taux de trames perdues. Le schéma de réception d'informations en provenance du récepteur n'est pas représenté. Par ailleurs, un circuit TPC de contrôle de puissance d'émission, recevant cette information du récepteur, peut agir sur le coeur de circuit MIMO CORE.

Enfin, on a représenté sur la figure 2 un circuit de contrôle de puissance consommée PCTRL, qui reçoit du coeur de circuit MIMO des informations sur la nécessité de modifier la puissance consommée par les amplificateurs de puissance des différentes chaînes, en fonction de calculs qui sont exécutés dans le coeur de circuit. Ce circuit PCTRL commande directement l'alimentation des amplificateurs de puissance, soit pour couper l'alimentation soit pour modifier le point de polarisation au repos des amplificateurs dans un sens tendant à augmenter ou réduire leur consommation de puissance. La figure 3 représente la consommation en courant d'alimentation d'un amplificateur de puissance, exprimée en milliampères (la tension d'alimentation Vc étant supposée fixe et égale à 5 volts) en fonction de la puissance de sortie Pout émise en sortie, exprimée en dBm. Trois courbes sont représentées, correspondant à des rapports cycliques d'émission différents, de 99%, 64%, et 26% respectivement. Le schéma de modulation est un schéma à haut débit (64QAM), la fréquence de porteuse est de 5,25 GHz, et le débit binaire est de 54Mb/s. Quel que soit le rapport cyclique, on voit que la puissance consommée est stable pour de faibles puissances émise sur l'antenne (jusqu'à 10 ou 12dBm), et croît ensuite plus ou moins fortement selon le rapport-cyclique ON/OFF d'émission. Dans tous les cas le rendement reste très faible, la puissance consommée par chacun des amplificateurs ne descendant jamais au-dessous d'1 watt du fait du fonctionnement en classe A des amplificateurs et montant à 2 watts pour une puissance émise de 24dBm (250 milliwatts) et un rapport-cyclique de 99%. Le rendement est de 12,5% à 24dBm (250 mW/2000 mW) et de moins de 2% à 14dBm (25 mW/1400 mW).

La consommation au repos des amplificateurs est définie par le point de fonctionnement du transistor d'amplification principal de l'étage de sortie de l'amplificateur, c'est-à-dire sa tension émetteur-collecteur (ou source-drain pour un transistor MOS) et son courant de collecteur (ou de drain). On peut modifier ce point de fonctionnement notamment en agissant sur la valeur du courant continu injecté dans ce collecteur par une source de courant. Pour obtenir une puissance de sortie importante dans un amplificateur linéaire, notamment un amplificateur fonctionnant en classe A ou AB, on est obligé de choisir un point de repos consommant une puissance importante car la consommation au repos est directement liée au besoin de puissance à émettre. Les amplificateurs sont réglés avec un point de repos permettant d'émettre une puissance maximale. Mais si on a besoin d'émettre une puissance plus faible, on peut agir sur le point de polarisation au repos pour d'une part abaisser la consommation au repos et d'autre part augmenter le rendement de l'amplificateur (puissance émise/puissance consommée) car ce rendement dépend du point de polarisation pour une même puissance émise.

La figure 4 représente une autre courbe montrant la dépendance entre la puissance Pc consommée, ou le courant continu Ic consommé, et la puissance de sortie émise Pout pour un amplificateur fonctionnant en classe A, en se plaçant à rendement constant, c'est-à-dire en adaptant le courant de polarisation au repos jusqu'à obtenir le rendement souhaité pour la puissance de sortie Pout désirée. Les courbes de puissance et de courant d'alimentation sont pratiquement superposées en une seule courbe, c'est-à-dire que la consommation de puissance est directement liée au courant de polarisation. L'échelle de gauche donne le courant en milliampères ; l'échelle de droite donne la puissance consommée. Cela veut dire que si on peut se contenter d'une puissance de sortie limitée, par exemple 21 dBm au lieu de 24dBm on peut modifier le courant de polarisation au repos jusqu'à aboutir à une puissance consommée limitée, ici deux fois plus faible, pour le même rendement.

C'est pourquoi on prévoit selon l'invention : - de désactiver au moins une chaîne d'émission, en coupant au moins l'alimentation en énergie de son amplificateur de puissance, si on peut assurer une communication fiable seulement avec les autres chaînes qui restent actives ; - et/ou, pour les chaînes qui restent actives, de modifier le point de polarisation au repos de l'amplificateur de manière à limiter la consommation en fonctionnement et même au repos, à condition bien sûr que cette modification continue à permettre l'émission d'une puissance suffisante pour que le récepteur puisse recevoir les données correctement. La figure 5 représente sous forme simplifiée la commande de 5 consommation au repos des amplificateurs de puissance par action sur un courant d'alimentation continu qui vient limiter la consommation en modifiant le point de fonctionnement au repos. On peut envisager par exemple que l'amplificateur PA soit alimenté en énergie à travers une source de courant continu de valeur 10 variable SC, dont la valeur est commandée par l'intermédiaire d'une information numérique fournie par le coeur de circuit MIMO_CORE. Sur la figure 5, on a représenté cette commande par un convertisseur numérique analogique DAC commandant sous forme analogique une source de courant variable SC, mais on peut évidemment aussi prévoir une commande 15 numérique directe, les sorties numériques du coeur de circuit commandant directement la mise en service ou l'interruption de plusieurs sources de courant en parallèle. On peut prévoir que pour un état particulier de la commande, la source de courant fournit un courant nul ; l'amplificateur de puissance ne 20 reçoit alors plus de courant d'alimentation ; il interrompt la chaîne d'émission et ne consomme plus de puissance. Cela revient donc à supprimer une des N chaînes d'émission et on peut compléter cette suppression en neutralisant d'autres éléments de cette chaîne. Pour d'autres états de la commande de puissance, le coeur de 25 circuit MIMO définit une valeur de courant de polarisation continu adaptée en fonction des besoins des récepteurs. On peut aussi, comme c'est indiqué en pointillés sur la figure 5, prévoir une commande de coupure complète ON-OFF de l'amplificateur, cette commande provenant du coeur de circuit MIMO_CORE mais étant dans 30 ce cas distincte de la commande de réglage du courant de polarisation. La commande de puissance consommée est définie, selon l'invention, d'abord par le besoin de débit binaire et de qualité de service demandés mais elle peut être définie également par une information de niveau de puissance reçu, déterminée par le récepteur et renvoyée au terminal d'émission.

La figure 6 indique l'organigramme général du processus d'établissement d'une modification de puissance consommée par les amplificateurs de puissance si le débit binaire à transmettre et la qualité de service demandée ne nécessitent pas que les N chaînes d'émission soient toutes utilisées d'une part et utilisées à leur puissance maximale d'autre part.

Le programme interne au coeur de circuit intégré MIMO_CORE recueille d'abord une valeur D de débit binaire DBR des données arrivant au terminal de communication et une valeur Q de qualité de service QoS demandée compte-tenu de la nature des données à transmettre. Le programme examine les différents schémas de modulation et codage possibles ; il sélectionne les schémas de modulation permettant d'atteindre le débit D ; il prend en compte les informations de puissance reçue par le récepteur ; il calcule le bilan de liaison (en anglais : "link budget"), c'est-à-dire la puissance à émettre pour une certaine puissance reçue par le récepteur (puissance minimale pour une réception sans erreur), compte-tenu de ce qu'on connait des pertes de propagation et des gains (gains d'antenne, etc.), et en prenant une marge pour tenir compte des risques d'interférences destructives dues aux réflexions multiples. La marge est fixée notamment en fonction de la qualité de service QoS. Puis le programme sélectionne le schéma de modulation et codage, incluant la suppression de chaînes d'émission inutiles pour atteindre le débit binaire et la qualité de service demandée. La sélection se fait sur la base d'une consommation de puissance minimale de l'ensemble des chaînes d'émission. Par conséquent, parmi les différents schémas de modulation et codage, on retiendra celui qui permet de minimiser la consommation de puissance. En particulier, il faut noter que certains types de modulation consomment plus que d'autres mais de toutes façons la suppression d'un chaîne non nécessaire joue un rôle particulièrement fort dans la réduction de consommation. Enfin, le coeur MIMO_CORE détermine le réglage de puissance des amplificateurs des chaînes non supprimées et établit la commande 5 numérique correspondante à envoyer au circuit PCTRL. La figure 7 détaille l'organigramme de la figure 6. On examinera cet organigramme en relation aussi avec la figure 8 qui donne un exemple de possibilités de débit binaire en fonction des 10 schémas de modulation MCS utilisés. Sur la figure 8, les schémas de modulation utilisent soit une seule chaîne d'émission (schémas MCSO à MCS7) soit deux chaînes (schémas MCS8 à MCS15), soit encore trois chaînes (schémas MCS16 à 23), le circuit MIMO étant ici un circuit MIMO 3x3. Les débits possibles sont portés en abscisse, en mégabits/seconde 15 pour chaque schéma. Sans entrer dans le détail, les schémas de modulation de chaque groupe vont d'une modulation BPSK (très faible débit binaire possible) à une modulation 64QAM (débit de 5 à 10 fois plus important), en passant par d'autres schémas permettant des débits intermédiaires. Après réception des informations de débit binaire demandé D et 20 de qualité de service Q, on effectue une pré-sélection des schémas de modulation MCSA, MCSB, MCSC, etc. qui permettent d'atteindre ce débit D. Figure 8 : pour un débit de 50 Mbits/s, la modulation 64QAM avec une seule chaîne (schéma MCS7) permet tout juste d'y arriver mais pratiquement il faut plutôt deux chaînes (schémas MCS12 à MCS15) et on peut le faire aussi 25 avec trois chaînes (schémas MCS19 à 23). Les autres schémas sont écartés car ils ne permettent pas d'atteindre le débit binaire D demandé. Il est donc important de noter que le programme de sélection comporte l'examen de schémas de modulation et codage qui comportent soit une soit deux soit trois chaînes et non pas seulement des schémas de 30 modulation à trois chaînes comme on le ferait classiquement pour une puce MIM03x3.

On analyse la puissance reçue au récepteur, qui est une information de force de signal ("Signal Strength") fournie par un circuit dit circuit RSSI dans le récepteur et envoyée par le récepteur au terminal AP. Une information de taux de perte de trames (FLR, "Frame Loss Rate") peut aussi être envoyée par le récepteur et utilisée par le terminal. De ces informations ainsi que d'autres, le circuit MIMO tire un calcul de bilan de liaison B_MCS pour chacun des schémas MCS présélectionnés, MSCA, MCSB, MCSC, etc. Le bilan peut être considéré comme étant le rapport entre la puissance émise par le système d'antennes et une puissance minimale que le récepteur doit recevoir pour que la communication soit correcte, en tenant compte des pertes de propagation, des gains d'antennes, et d'une marge liée aux risques d'interférences destructives dues aux multi-trajets. Ce budget dépend du schéma de modulation. Et il dépend de la qualité de service Q car une marge plus grande doit être utilisée pour une qualité de service supérieure ("video" supérieure à "données"). Une information de retour en provenance du récepteur (puissance reçue, taux de perte de trames) peut être utilisée dans ce calcul de budget. Pour chaque schéma de modulation MCS on ne se contente pas d'un seul calcul de bilan de liaison, mais on effectue plusieurs calculs pour des puissances d'émission souhaitables différentes. On effectue ce calcul de préférence de manière itérative, par exemple en partant d'une puissance émise plus élevée et en la diminuant progressivement jusqu'à ce que le bilan de liaison devienne trop faible.

Pour chaque schéma MCS présélectionné, le circuit MIMO calcule de préférence un bilan de liaison B_MCS en considérant d'abord que la puissance émise par les amplificateurs des chaînes utilisées dans ce schéma (une ou deux ou trois chaînes) est égale à la puissance maximale que peuvent fournir la ou les chaînes d'émission utilisées dans le schéma.

On compare le budget à un niveau de référence nécessaire pour assurer une communication correcte.

Si le budget B_MCS est suffisant pour un schéma de modulation et codage donné utilisant une ou deux ou trois chaînes d'émission, on décrémente la puissance d'émission et on calcule à nouveau le budget pour ce schéma, et ainsi de suite jusqu'à ce qu'on constate que le budget devient insuffisant. Lorsqu'il devient insuffisant, on incrémente à nouveau le niveau de puissance à émettre pour le remettre au niveau précédent où le budget était suffisant. On stocke l'information de puissance d'émission correspondante Pout, en relation avec le schéma MCS pour laquelle elle a été calculée. On fera attention que le calcul de puissance à émettre dépend du rapport cyclique d'émission/non émission et que ce rapport dépend du schéma de modulation lui-même et du débit envisagé. On passe au calcul pour le schéma MCS suivant. On aboutit à la fin à une table de puissances Pout à émettre pour chacun des schémas. On sélectionne le schéma qui correspond à une puissance totale minimale, et on attribue à la ou les chaînes de ce schéma une puissance à émettre qui correspond au résultat de calcul stocké. On divise cette puissance à émettre par le nombre de chaînes utilisées dans ce schéma et on obtient la puissance à émettre pour chaque amplificateur.

Le premier résultat de cet algorithme est donc une information sur la nécessité de couper l'alimentation d'une chaîne d'émission ou plusieurs ou au contraire la nécessité de conserver les N chaînes. Le second résultat utilise la puissance à émettre pour chaque amplificateur pour déterminer un réglage de polarisation de l'amplificateur à une position de point de fonctionnement qui donne un rendement maximum pour cette puissance à émettre. C'est une information numérique qui peut se traduire, comme expliqué en référence à la figure 3, par une commande de sélection de sources de courant parmi plusieurs sources. On pourrait agir sur le point de polarisation également par des tensions d'alimentations variables.

Si on applique cet algorithme au cas de la figure 8 pour un débit demandé de 50 Mégabits/seconde, on aboutit à une sélection du schéma de modulation MCS13 à deux chaînes parce qu'il nécessite la plus faible puissance à émettre. La puissance consommée par les amplificateurs sera minimale si on adopte le schéma MCS13 et si on modifie le point de polarisation des deux amplificateurs de manière à optimiser le rendement en fonction de la puissance à émettre. La figure 9 représente un diagramme de puissances consommées, dans lequel on a reporté, pour chacun des schémas de modulation et codage qui permettent d'atteindre le débit demandé, deux puissances consommées : d'une part la puissance consommée sans contrôle de puissance (conditions initiales) et d'autre part la puissance consommée avec contrôle de puissance optimisé par l'algorithme itératif. Le schéma qui consomme la puissance la plus faible (parce qu'il nécessite la puissance d'émission la plus faible) est d'après ce diagramme le schéma MCS13. Il nécessite la suppression d'une chaîne d'émission.

Enfin, la figure 10 représente schématiquement un exemple de réalisation de la commande de polarisation. L'amplificateur PA est constitué par un préamplificateur d'entrée 10, suivi d'un étage d'adaptation d'impédance 12, qui attaque en radiofréquence la base d'un transistor 14. Ce transistor constitue véritablement l'étage de puissance de l'amplificateur et c'est cet étage dont la consommation doit être la mieux contrôlée. La base du transistor est polarisée par une tension continue V_bias, à travers une connexion inductive qui permet de ne pas court-circuiter la radiofréquence à amplifier. L'émetteur est à la masse. Le collecteur du transistor est polarisé par un courant d'alimentation continu à travers une connexion inductive. La sortie radiofréquence est prise sur le collecteur du transistor et attaque un étage d'adaptation d'impédance 16. La sortie de cet étage constitue la sortie de l'amplificateur PA et elle est dirigée vers une antenne associée à l'amplificateur.

Le courant de polarisation continu du collecteur du transistor est fourni par une source de courant commandée SC. Cette source est constituée par un miroir de courant à deux transistors PNP dont le transistor de sortie 18 recopie sur son collecteur avec un coefficient multiplicateur lié à sa taille, le courant de collecteur d'un transistor d'entrée 20. Le courant du transistor 20 est imposé par la tension appliquée à sa résistance de collecteur 22. Cette tension est établie par un convertisseur numérique- analogique (DAC) qui reçoit une valeur numérique de commande issue du coeur de circuit MIMO_CORE. Le courant continu de collecteur du transistor 18 est appliqué au collecteur du transistor 14 de l'étage d'amplification principal de l'amplificateur PA.10

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé pour configurer le fonctionnement d'un terminal de communication multi-antennes dans un système de communication sans fil, le terminal comprenant N chaînes d'émission de signal, N>1, chaque chaîne comportant un amplificateur de puissance respectif (PA_1,...PA_N) pour l'émission de signaux modulés en fonction de données numériques à transmettre, le procédé comprenant les opérations suivantes : - réception, en même temps que des données à re-transmettre, d'une information de débit binaire souhaité (DBR) et une information de qualité de service de transmission (QoS) souhaitée, - sélection d'un schéma de modulation et codage permettant d'atteindre le débit de données souhaité, parmi P schémas possibles (MCSO à MCS23) utilisant de une à N chaînes d'émission, en fonction de la consommation de puissance moyenne engendrée par ces différents schémas, - et modification des conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance des chaînes en fonction du schéma sélectionné et en fonction de la puissance d'émission nécessaire pour une 20 communication selon ce schéma.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modification des conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance comprend la coupure de l'alimentation en énergie de 25 l'amplificateur de puissance d'au moins une des N chaînes d'émission si le schéma de modulation sélectionné utilise un nombre de chaînes inférieur à N.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en 30 ce que la modification des conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance comprend la modification d'un point de polarisation au repos d'un étage de sortie d'au moins un amplificateur de puissance d'une chaîned'émission utilisée pour l'écarter d'une position permettant une puissance d'émission maximale si la puissance d'émission nécessaire pour le schéma sélectionné n'est pas la puissance maximale possible pour l'amplificateur.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la sélection d'un schéma de modulation et codage comprend : - la présélection d'au moins un schéma de modulation et codage permettant d'atteindre le débit de données souhaité, parmi P schémas possibles utilisant de une à N chaînes d'émission, - l'évaluation de la puissance radiofréquence (Pout) à émettre en sortie des amplificateurs pour chaque schéma de modulation permettant d'atteindre le débit binaire demandé, en tenant compte de la qualité de service demandée, - la sélection d'un schéma de modulation parmi les schémas nécessitant les puissances d'émission les plus faibles.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'évaluation de la puissance d'émission nécessaire comprend le calcul, pour chaque schéma de modulation et codage permettant d'atteindre le débit requis, d'un bilan de liaison comprenant au moins une estimation de puissance reçue par une station de réception et une marge de puissance dépendant de la qualité de service demandée.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'évaluation de puissance d'émission nécessaire comporte un calcul de bilan de liaison pour une puissance d'émission donnée, une comparaison à un seuil de bilan minimum souhaitable, et un cycle itératif de décrémentations successives de la puissance d'émission spécifiée et d'un calcul du bilan de liaison, jusqu'à atteindre le seuil minimum.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'évaluation de la puissance d'émission nécessaire utilise uneinformation, renvoyée par une station de réception, sur le niveau de puissance reçue par la station de réception.
8. 8. Terminal de communication multi-antennes pour un système de communication sans fil, le terminal comprenant : - N chaînes d'émission de signal, N>1, chaque chaîne comportant un amplificateur de puissance respectif (PA_1,...PA_N) pour l'émission de signaux modulés en fonction de données numériques à transmettre, - des moyens pour recevoir, en même temps que des données à re-transmettre, un débit binaire souhaité (DBR) et une information de qualité de service de transmission (QoS), - un programme de configuration de schémas de modulation et codage (MCSO à MCS23) du terminal, permettant de mettre en oeuvre un schéma de modulation et codage parmi P schémas possibles (MCSO à 15 MCS23), caractérisé en ce que le terminal comporte des moyens pour évaluer la puissance radiofréquence à émettre sur les antennes pour chaque schéma de modulation permettant d'atteindre le débit binaire demandé, en tenant compte de la qualité de service demandée, des moyens pour 20 sélectionner un schéma de modulation parmi les schémas nécessitant les puissances les plus faibles, et des moyens pour modifier les conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance des chaînes en fonction du schéma sélectionné et en fonction de la puissance d'émission nécessaire, dans un sens tendant à minimiser la consommation de puissance moyenne 25 des amplificateurs.
9. 9. Terminal de communication selon la revendication 8, caractérisé en ce que les schémas de modulation et codage possibles utilisent de une à N chaînes d'émission, et la modification des conditions de 30 fonctionnement des amplificateurs de puissance comprend la coupure de l'alimentation en énergie d'au moins une des N chaînes d'émission si leschéma de modulation sélectionné utilise un nombre de chaînes inférieur à N.
10. 10. Terminal de communication selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la modification des conditions de fonctionnement des amplificateurs de puissance comprend la modification d'un point de polarisation au repos d'un étage de sortie d'au moins un amplificateur de puissance d'une chaîne d'émission pour l'écarter d'une position permettant une puissance d'émission maximale si la puissance d'émission nécessaire pour le schéma sélectionné n'est pas la puissance maximale possible pour l'amplificateur.
11. 11. Terminal de communication selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'évaluation de la puissance d'émission nécessaire utilise une information, renvoyée par une station de réception, sur le niveau de puissance reçue par la station de réception.