Conception d’antennes pour le réseau BAN et modélisation du canal de propagation

La taille de l'antenne est problématique, les fréquences utilisées sont de l'ordre de la dizaine de MHz, ce qui ne permet pas l'utilisation d'antennes fouet. Le travail du temps met l'accent sur l'effet du corps sur le diagramme de rayonnement, l'efficacité et le réglage de l'antenne.

Le projet BANET

Les nombreuses applications du BAN rendent particulièrement difficile la définition d'une interface hertzienne commune et normalisée et d'une pile de protocoles. A noter que la base de données issue des campagnes de mesure des canaux de propagation sera utilisable à long terme au sein et en dehors du consortium BANET.

Classification des réseaux BAN et bandes de fréquences associées

Dans cette thèse nous nous limiterons à la bande ISM située autour de 2450 MHz pour la conception des antennes et le son du canal de propagation. Le stimulateur cardiaque équipé d'une antenne magnétique pour la bande 400 MHz La communication On/On fonctionne principalement sur 2,4 ou 5,8 GHz.

Alimentation des capteurs

Mais à ce jour, l'appareil reste lourd pour les utilisateurs avec un poids considérable de 1,6 kg. Une autre solution pour récupérer l'énergie des mouvements du corps est de placer un élément piézoélectrique sur le dessous de la chaussure.

Plan de la thèse

Ensuite, la présentation d'une nouvelle technique d'extraction des phénomènes d'évanouissement est présentée, basée sur les propriétés d'autocorrélation du signal. Une étude préliminaire basée sur des modèles dynamiques permet de conclure sur les avantages que peut apporter la diversité selon la localisation du système dans l'organisme.

Chapitre

2 Modélisation Analytique des Canaux BAN Déterministes

MODÉLISATION ANALYTIQUE DES CANAUX BAN DÉTERMINISTES

Motivations

Ces mêmes personnes sont ensuite soumises à une mesure de l'atténuation entre antennes sur leur propre corps et dans une chambre d'écho. Cette fonction d'atténuation très générale contient un terme constant PL(d0) qui est l'atténuation de l'onde prise à une distance dite de référence d0.

Résultats expérimentaux préliminaires

A mi-parcours, il y a des variations brusques dans le canal avec une amplitude d'au moins 10 dB. De ces mesures préliminaires, on tire finalement les informations de base sur la dépendance morphologique du chenal.

Introduction aux mécanismes de propagation

La figure 2.4 montre la variation typique d'un canal circumcorporel, dans le cas d'une connexion autour d'une personne ayant un tour de taille de 85 cm. Cette dépendance linéaire a été observée dans le cas des trajectoires circumcorporelles (figure 2.4) et pour la trajectoire épaule-taille dans la figure 2.3.

Les ondes de surface et les ondes rampantes dans la littérature

C'est sur l'onde de surface de Norton que s'appuiera notre étude théorique de la propagation sur des surfaces planes du corps. C'est sur les séries de Watson améliorées telles que celle utilisée par Wait que s'appuiera notre étude théorique de la propagation pour les trajets circonférentiels.

La modélisation BAN dans la littérature

Malheureusement, une erreur de signe dans la résolution d'une intégrale complexe a fait croire que l'onde de Zenneck était la cause principale de la propagation des ondes au sol. Dans [HAL01], le budget de liaison autour de la taille est mesuré avec des caractéristiques très similaires à la figure 2.4 et un modèle est dérivé.

Impédance de surface pour les modes TE, TM

Il est donc possible de résoudre le problème de résistance de surface avec la technique des lignes de transmission en cascade. Selon Collin [COL01], le mode TM se propage lorsque l'impédance de surface est inductive, tandis que le mode TE se propage pour les surfaces capacitives.

Expression générale de l’atténuation

Une connexion qui devrait s'établir indépendamment de la variabilité individuelle, on conclut finalement sur le faible intérêt de la connexion avec le mode TE (excitation dipolaire horizontale), qui favorisera le mode TM, qui peut être facilement excité par un monopôle, de préférence raccourci.

Atténuation sur une surface plane

La figure 2.12 montre le facteur F(p) en fonction de la distance pour différentes valeurs de permittivité relative. Les courbes de la Figure 2.18 montrent une grande variation de la fonction d'atténuation F(p) en fonction de la fréquence et de l'épaisseur de la graisse.

Atténuation sur une surface cylindrique

Cette différence de tissus explique l'augmentation de l'amortissement linéaire allant de la tête à la taille lorsque la circonférence est plus grande. Analysons maintenant l'effet de la permittivité (Figure 2.32) et de la conductivité (Figure 2.33) sur le budget de liaison.

Atténuation sur une surface quasi-planaire

Regardons maintenant le bilan de liaison à différentes fréquences pour la gamme de 80 cm allant de 400 MHz (où la condition p/λ>1 est juste remplie) à 10 GHz (Figure 2.35). La figure 2.44 compare les courbes de budget de liaison obtenues pour une surface plane, pour une surface quasi-plane (a=2 m) avec une série de Watson à un mode, et pour une surface quasi-plane (a=2 m) avec un développement de Bremmer.

Liaison par dipôles

Cependant, à des distances aussi courtes, il existe également un couplage entre les antennes, qui n'est pas pris en compte car il est difficile à modéliser sur un milieu à pertes. Premièrement, dans (2.48) nous supposons correctement que ph>20, ce qui est toujours le cas pour les surfaces à faible impédance.

Caractérisation expérimentale des canaux BAN

Pour effectuer les mesures, l'antenne d'émission est placée à hauteur de cheville ou de hanche (Figure 2.54). Cependant, l'amplitude de la variation dépend de l'endroit où sont placées les antennes (le phénomène est plus prononcé lorsque les antennes sont sur le fuselage).

Résultats de mesure – Comparaison avec les modèles analytiques de canaux

L'atténuation autour de la taille est mesurée avec un pas fin de 2 cm pour montrer le profil d'interférence autour de l'antipode. La figure 2.72 montre la mesure du budget contraignant autour de la taille d'une femme à l'aide d'un PIFA.

Conclusion du chapitre

ROE02] Roelens L., Van den Bulcke S., Joseph W., Vermeeren G., Martens L.,”Path Loss Model for Wireless Narrowband Communication Above Flat Phantom”, Electronics Letters, Vol.42, No.1, Janvier 2006. WAI01] Wait J.R, “The Ancient and Modern History of IEEEEM0 Magazine. , Nee.

3 Les Antennes BAN et les Interactions Corps-Antenne

Zcv impédance caractéristique de l'élément rayonnant vertical Zch impédance caractéristique de l'élément rayonnant horizontal Qcorps coefficient de qualité pour une distance h du corps. Coefficient de qualité Qant de l'antenne en espace libre Coefficient de qualité Qtissus des tissus biologiques.

LES ANTENNES BAN ET LES INTERACTIONS CORPS- ANTENNE

Etat de l’art

Dans [ADE01], le plan de masse n'est pas aussi grand, ce qui conduit à une faible efficacité d'antenne à 868 MHz. Nous ne considérerons pas les antennes patch car la plupart d'entre elles sont connectées au plan de masse.

Interactions entre le corps et les antennes : Résultats préliminaires

Par conséquent, tout élément dissipatif présent dans un cercle de rayon λ/2 autour de l'antenne modifiera l'impédance et provoquera une baisse de rendement [TRA01]. En résumé, il convient de rappeler que tous les éléments qui pénètrent dans la zone de champ réactif deviennent partie intégrante de l'antenne.

Modélisation analytique de l’interaction corps-antenne dans le cas du dipôle horizontal

La figure 3.11 compare l'impédance de perte extraite de (3.8) en utilisant Z et Zpec simulés et celle calculée par (3.2). De plus, on peut obtenir une expression purement analytique de l'impédance d'un dipôle sur un milieu avec perte.

Conception d’antennes dédiées au BAN à 2.4 GHz

La figure 3.29 permet d'évaluer l'efficacité de l'excitation des ondes de surface sur le corps. L'accord est donc important (Figure 3.37) et le rendement de l'antenne reste faible.

Estimation du rendement des antennes sur le corps

Cependant, le champ réactif s'étend jusqu'à une demi-longueur d'onde et le milieu dissipatif, le corps, est présent partout dans cette zone. La figure 3.48 montre une antenne IIFA testée avec le fantôme d'une main dans la chambre de réverbération.

Techniques d’insensibilisation au corps

La figure 3.53 montre l'évolution de l'efficacité de l'antenne en fonction de l'épaisseur du tissu adipeux. Nous montrons sur la figure 3.55 la variation d'impédance des deux dipôles en fonction de la distance au corps.

Mesure de la transmission entre antennes sur fantôme

Cela s'ajoute à ce que nous avons pu observer sur la figure 3.38 où les ondes de surface apparaissent légèrement plus intenses d'un côté. Lorsque les CWPA sont placés côte à côte, le bilan de liaison moyen augmente de 12 dB par rapport à la configuration face à face, ce qui s'explique en partie par la configuration des champs autour de cette antenne (Figure 3.38).

Conclusion du chapitre

S., “Statistical Analysis and Performance Evaluation for On-Body Radio Propagation With Microstrip Patch Antennas”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. NEW02] Newman E.H, “Small Antenna Location Synthesis Using Characteristic Modes”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.

4 Modélisation Dynamique des Canaux BAN

MODELISATION DYNAMIQUE DES CANAUX BAN

Motivations pour une modélisation dynamique

La figure 4.1 illustre l'influence croissante des diffuseurs avec une distance d entre deux antennes montées sur le torse d'une personne en mouvement. La plage dynamique du signal augmente avec la distance entre les antennes en raison de l'effet croissant de l'évanouissement.

Introduction générale aux canaux radio de type mobile

Ils ont une durée qui est de l'ordre d'une seconde à dix secondes. L'étalement du retard ou étalement du retard est la durée de tous les échos des diffuseurs.

Modèle physique des canaux BAN en mouvement

Cette figure montre l'évolution temporelle de la puissance reçue en fonction de la position de la personne dans l'espace (certaines coordonnées x,y). Les résultats de cette figure montrent clairement un lien direct entre la dynamique du signal et la position de la personne dans la pièce.

2cos

Spectre HF des canaux BAN

Pour vérifier cela, nous avons effectué une mesure en plaçant les antennes en ligne de visée directe avec la coque (exemple LOS), puis hors ligne de visée le long du trajet coque-arrière (exemple NLOS). Dans le cas de NLOS, l'amplitude du trajet direct sera proche de celle des réflecteurs, et on observera une diffusion plus ou moins importante du spectre ; nous le voyons sur la figure 4.11.

Les outils mathématiques d’analyse dynamique des canaux BAN

La figure 4.15 montre un exemple concret de l'évolution temporelle du signal BAN résultant de la simulation. La figure 4.19 montre une comparaison entre le modèle LCR dérivé de la théorie de Clark et le LCR BAN simulé.

Modélisation statistique des canaux BAN en mouvement

La loi de Rayleigh suppose des rayons incidents de même intensité, uniformément répartis en azimut, [SIW01]. Les équations (23) et (24) donnent les expressions correspondantes pour la PDF et la CDF de la loi de Nakagami.

Méthode d’extraction des évanouissements

On remarque sur la Figure 4.24 que l'autocorrélation ρm(τ) du flou lent extrait par moyennage épouse parfaitement les variations lentes de l'autocorrélation ρ(τ) du signal. Où les fondus rapides sont vus comme un gain (en dB) appliqué à la puissance (en dBm) du fondu lent.

Méthode d’estimation statistique

Moment d'ordre 1, µ1 représente la valeur moyenne, µ2 représente la puissance moyenne, etc. On peut donc facilement déduire de U tous les moments d'ordre n permettant l'estimation des paramètres des différentes lois.

Modèles statistiques des canaux BAN pour quelques scénarii

Dans le cas de l'évanouissement rapide, Figure 4.28, on observe également un bon accord entre les paramètres estimés et l'approximation linéaire. La figure 4.35 montre un exemple de CDF à évanouissement rapide où l'on voit que le signal extrait est bien de type Rayleigh dans la région antipodale.

Génération d’un signal BAN à partir de la modélisation statistique

Pour justifier la fréquence de coupure du filtre de fondu rapide, il faut rappeler que le spectre de fondu rapide est jusqu'à 2 fd, sauf selon (4.34), alors on peut annoncer que la fréquence de coupure du filtre doit être l'inverse du temps de cohérence Tc. Nous avons constaté que pour le BAN interne, nous pouvons définir l'ordre du filtre de fondu lent entre 1 et 3 et l'ordre du filtre de fondu rapide sur 1.

Conclusion du chapitre

COT03] Cotton Simon L., Scanlon William G., “Higher Order Statistics for Lognormal Small-Scale Fading in Mobile Radio Channels”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. On-body channel attenuation measurements and statistical analysis at 2.45 GHz”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol.6, 2007.

5 Diversité d’Antennes Appliquée au BAN