1.4 CONCLUSION 41
présentons un travail de caractérisation et de modélisation du canal de propagationUWB, en nous efforçant de répondre à ces différentes questions.
Chapitre 2
Sondage du canal radio UWB
La caractérisation expérimentale du canal radio nécessite l’analyse d’un grand nombre de mesures de propagation. Dans le but de réaliser une campagne de mesures, un certain nombre de techniques de sondage différentes sont disponibles [Guillouard 99]. Le choix de la méthode dépend de l’environnement de mesure, de la bande de fréquences sondée et des contraintes de rapidité d’acquisition. Le cas du canal UWB pose des problématiques particulières, qui sont décrites dans ce chapitre. Les différentes méthodes de sondage du canal large bande sont ensuite exposées, en faisant la distinction entre les techniques fréquentielles et temporelles.
Pour notre expérimentation de propagation, nous décrivons l’équipement sélectionné, capable de mesurer le canalUWBstatique dans la bande 3,1 GHz - 10,6 GHz.
Afin d’observer plus en détail les fluctuations du canalUWB, il est nécessaire de déployer une technique de mesure temps réel. Dans ce but, une technique de sondage innovante a été mise au point, exploitant les performances d’un sondeur SIMO large bande. La réalisation et la validation de cet équipement sont décrites dans la deuxième partie du chapitre.
La troisième partie du chapitre répertorie les campagnes de mesures du canalUWBles plus significatives rapportées dans la littérature. Pour chaque expérimentation, l’équipement et les conditions de mesure sont décrits, ce qui permet une discussion sur les besoins non couverts par les campagnes réalisées.
2.1 Problématiques de mesure en contexte
UWBLe sondage de canal a pour but de mesurer la réponse impulsionnelle h(t, τ) qui lie le signal reçu s(t) au signal émis e(t) par une opération de filtrage (cf. équation (1.14)). De telles mesures caractérisent à la fois la sélectivité fréquentielle et la variabilité temporelle du canal. Dans la pratique, il n’existe pas d’opération de déconvolution permettant de retrouver la réponse impulsionnelle à partir de signauxe(t) ets(t)arbitraires. Un certain nombre de techniques utilisant des signaux d’excitatione(t)spécifiques peuvent cependant être mises en œuvre, et la réponse impulsionnelle est alors déterminée par un traitement sur les signauxe(t) ets(t). Le signal d’excitation doit présenter des propriétés adaptées à la méthode de calcul de la réponse impulsionnelle.
Les principales caractéristiques d’un sondeur large bande sont les suivantes : 43
Amplitude relative (dB)
Retard (ns) Retard (ns)
Retard (ns) Convolution Réponse
impulsionnelle du sondeur
Réponse impulsionnelle du canal sur une bande
infinie
Réponse impulsionnelle
mesurée Trajet
non résolu
Amplitude relative (dB)
Amplitude relative (dB)
FIG. 2.1 – Résolution temporelle d’un sondeur large bande.
Bande d’analyse : La bande d’analyse correspond à la bande de fréquences sur laquelle est estimée la réponse impulsionnelle. Elle correspond généralement à la largeur de bande du signal de sondage émis. La mesure du canal de propagation sur des largeurs de bande de l’ordre de la centaine de MHz est assez bien maîtrisée pour les sondeurs actuels [Guillouard 99]. Dans le cas des signauxUWB, la largeur de bande de plusieurs GHz peut représenter un verrou pour la mesure du canal.
Résolution temporelle : La résolution temporelle caractérise la capacité du sondeur à distin- guer deux trajets dont les retards sont très proches. La réponse impulsionnelle estimée par le sondeur correspond à une convolution entre la réponse impulsionnelle du canal de propagation sur une bande infinie et la réponse impulsionnelle du sondeur sur la bande analysée (cf. figure 2.1). Celle-ci peut être obtenue en reliant directement l’émetteur au récepteur par un câble. On définit généralement la résolution temporelle comme la moi- tié de la largeur du pic de la réponse impulsionnelle du sondeur. Par approximation, on la considère souvent comme l’inverse de la bande d’analyse. Pour éviter le masquage de trajets par les lobes secondaires de la réponse impulsionnelle du sondeur, une fenêtre de pondération peut être appliquée [Harris 78]. Son choix résulte d’un compromis entre la puissance des lobes secondaires et la largeur du lobe principal.
Décalage Doppler maximal : Lorsque le canal de propagation varie au cours du temps, il est possible de mesurer sa dispersion fréquentielle en étudiant son spectre Doppler (cf.
section 1.2.3.4). Pour cela, il est nécessaire de pouvoir déterminer deux réponses impul- sionnelles successives très rapidement. On définit le temps de répétition de la mesure
∆T(mes) comme la durée séparant deux mesures successives du canal. Elle comprend la durée d’acquisition de la mesure t(mes) et éventuellement le temps de traitement
2.1 PROBLÉMATIQUES DE MESURE EN CONTEXTE UWB 45 et de stockage. Il est alors possible de mesurer un décalage Doppler absolu maximal νmax(mes) = 2∆T1(mes). Il faut toutefois noter que lors de la mesure d’une réponse impul- sionnelle, le canal doit être considéré comme statique. Un sondeur capable de mesurer le canal variant dans le temps doit donc présenter une durée d’acquisitiont(mes) très faible.
Dynamique et longueur de la réponse impulsionnelle : La dynamique de la réponse im- pulsionnelle correspond au rapport de puissance entre le maximum de la réponse impul- sionnelle et le niveau de bruit. Une forte dynamique permet de détecter des trajets forte- ment atténués. La longueur de la réponse impulsionnelle correspond au retard maximal mesurable.
Dans le cas du canal de propagationUWB, la résolution temporelle est généralement bonne étant donnée la largeur de la bande d’analyse. Il est par contre délicat de mettre en œuvre des sondeursUWBprésentant un faible temps de mesure.
À ces caractéristiques viennent s’ajouter d’autres contraintes liées à la grande bande de fréquences mesurée. Sur une bande d’analyse de plusieurs GHz, le comportement du matériel de mesure peut varier fortement, et il faut en tenir compte lors de la mesure. En particulier, les antennes utilisées pour la mesure doivent présenter des caractéristiques stables. Les antennes bande étroite (dipôles, cornets, etc.) et les antennes large bande dispersives (antennes spirales, log-périodiques, etc.) sont donc proscrites [Schantz 03]. Dans la pratique, on utilise donc des antennesUWB bi-coniques, mono-coniques, ou planaires, dont quelques exemples sont présentés dans la figure 2.2. Dans tous les cas, une bonne connaissance des caractéristiques de l’antenne de mesure est nécessaire [Sibille 04]. Les autres éléments intervenant dans la mesure, comme les câbles ou les amplificateurs, présentent également des variations avec la fréquence, et il convient de les caractériser précisément avant la mesure.
Antenne bi-conique idéale
Antenne planaire bowtie
Antenne bi-conique
Antenne mono-conique
FIG. 2.2 – Antennes de mesureUWB.
Enfin, un récepteurUWBest sensible à toutes les émissions radio à des fréquences proches de la bande analysée. Avant la mesure, il est donc nécessaire de veiller à ce que le spectre radio analysé soit exempt de tout brouillage par des systèmes extérieurs. Il convient également de filtrer les émissions hors-bande, comme celles provenant des systèmesGSMetWiFi.