4GHz pour l'antenne monocône sur : le module à gauche, la phase à droite 99 3,53 Evaluation de la reconstruction de la fonction vectorielle de rayonnement à 4GHz pour l'antenne "taiyoyuden" sur : (a) partie réelle, (b) partie imaginaire183 E.6 Evaluation de la reconstruction de la fonction vectorielle de rayonnement.
Liste des acronymes
Avant-propos
Deux techniques complémentaires d'optimisation de la synthèse VSH adaptées au contexte du ray tracing sont également proposées. La troisième partie repose sur une confrontation entre mesures expérimentales et simulations, qui permet d'évaluer les performances de la plateforme.
Contexte général
- Introduction
- Les principaux standards de communications sans fil
- Les applications envisagées
- Le projet UCELLS
- Conclusion
Le premier fournit un bref état des lieux des technologies de communication sans fil les plus importantes. Le grand développement des technologies de communication sans fil nécessite de nouveaux modèles de canaux radio.
L’outil de simulation de canal indoor - PyRay
Introduction
Architecture du simulateur PyRay
Pour une liaison émetteur-récepteur donnée, le canal de propagation est décrit par la classe RadioLink et déterminé par la méthode de lancer de rayons 3D (RT-3D) basée sur l'Optique Géométrique (GO) et la Théorie Unifiée de la Diffraction (TUD). 9a technique d'accès radio liée au type d'émetteur/récepteur et à l'orientation des antennes pour la bande de fréquence d'émission/réception.
Le signal émis
- Définition d’un signal ULB
- Réglementation sur la puissance d’émission en ULB
- L’impulsion ULB
- L’impulsion gaussienne
- Les dérivées d’ordre n d’une impulsion gaussienne
- L’impulsion gaussienne modulée par des fonctions sinusoïdales
- L’impulsion de type cosinus surélevé
- L’impulsion de type racine de cosinus surélevé
- L’impulsion standardisée IEEE 802.15.4a
- Techniques de modulation pour l’IR-ULB
- Le signal OFDM-ULB
- Bande OFDM définie pour la norme IEEE 802.15.3a
- Bilan sur le signal émis
Dans la formule précédente, A est l'amplitude, fc la fréquence centrale et τ la largeur temporelle de l'impulsion. Dans le domaine temporel, l'impulsion RC en cosinus surélevé dessinée sur la figure 2.8 peut être générée sous la forme suivante.
Le canal de propagation indoor
- Définition
- Propagation en espace libre - formule de Friis
- Propagation dans un environnement réel. Phénomènes physiques liés à la propagationliés à la propagation
- Les contraintes du canal de propagation
- Sélectivité spatiale
- Sélectivité fréquentielle
- Effet Doppler
- Bilan sur le canal de propagation
En combinant les équations (2.22) et (2.23) et en utilisant l'expression de la vitesse de propagation des ondes c. Dans ce cas, le canal de propagation a une variation globale et tous les trajets de l'onde subissent un décalage Doppler.
Les techniques de modélisation du canal de propagation
- Généralités sur la modélisation de canal
- Modélisation déterministe
- Le Ray-Tracing
- Lancer de rayons
- Tracé de rayons
- Le cas particulier de l’ULB
Selon les principes d'OG, lors de la propagation d'une onde radio, l'énergie est rayonnée à travers des tubes infinitésimaux appelés rayons. Le rayon r de cette sphère est paramétrable et dépend de l'écart angulaire ∆θ entre les rayons émis et de la distance entre l'émetteur et le récepteur (2.28). C'est une technique relativement complexe d'un point de vue implémentation et gourmande en temps de calcul.
La méthode d'imagerie est très efficace pour la précision des résultats dans les environnements intérieurs.
Le canal de transmission
- Conventions géométriques
- Calcul de la fonction de transfert matricielle d’un rayon
- Expression de la fonction de transfert matricielle du rayon dans le repère local d’antennerepère local d’antenne
- Calcul de la fonction de transfert scalaire d’un rayon
- Problématiques liées à l’antenne
BTakBi1k la matrice de transit qui permet d'exprimer le champ de la base Bak associée à la direction de départ du faisceau dans la base d'entrée Bi1k associée à la première interaction du faisceau. Après avoir calculé la fonction de transfert matricielle pour chaque rayon k, les antennes avec leur désadaptation éventuelle sont appliquées pour obtenir la fonction de transfert. Comme le montre la relation (2.46), le calcul de la fonction de transfert globale du canal de transmission inclut la dépendance en fréquence introduite par la propagation et .
Le paramètre Nray est très important dans les calculs car il détermine le réalisme de la fonction synthétisée Hab(f).
Le signal reçu
- Les trois méthodes proposées
- Comparaison et évaluation des performances
Pour la comparaison et l'évaluation des performances des trois méthodes de reconstruction proposées à la section 2.7.1, à l'aide de l'outil dePyRay, nous considérons des simulations dans l'environnement intérieur décrites à la figure 2.33. La forme d'onde UWB à l'entrée de l'antenne d'émission est une sinusoïde avec une impulsion gaussienne (Figure 2.34). Du fait de la factorisation de l'impulsion émise wγ(t), on s'attend à obtenir de meilleurs résultats avec la méthode c).
Les résultats montrent l'intérêt de la méthode b) (figure 2.36) qui semble être la meilleure pour reconstruire le signal ULB reçu.
Conclusion
Décomposition en VSH appliquée aux antennes
Introduction
Les caractéristiques de ce dernier sont décrites au paragraphe 3.3 qui décrit également les différentes antennes qui seront utilisées. Ensuite, dans la section 3.4, nous présentons le formalisme de décomposition en harmoniques vectoriels sphériques appliqué aux fonctions vectorielles des antennes. Enfin, la dernière section 3.6 applique cette méthode de décomposition aux antennes à plan de masse de dimension variable, ce qui permet d'avoir une première approximation de l'influence de la géométrie d'une antenne sur les coefficients VSH.
Théorie des VSH
- Système de coordonnées sphériques. Fonction sphérique
- Définition
- Propriétés Orthogonalité
De la même manière, nous pouvons définir des fonctions vectorielles sphériques qui relient un vecteur à des coordonnées sphériques. Les fonctions de Legendre associées de première espèce sont des fonctions trigonométriques en latitude dérivées des polynômes de Legendre [83]. A titre d'exemple, les premières fonctions de Legendre associées sont définies pour n= 3 dans le tableau 3.1 et sont présentées dans la figure 3.4.
Les fonctions de Legendre correspondantes de première espèce Pn(m)(cosθ) forment une base orthogonale de L2(R) pour tout indice fixe n et aussi pour tout m fixe (m∈[0, n]).
- Analogie entre la transformée de Fourier et la transformée en har- moniques sphériquesmoniques sphériques
La base des harmoniques sphériques est l'équivalent pour les fonctions sphériques du développement en série de Fourier pour les fonctions périodiques, définies dans l'espace 2D. La décomposition en série de Fourier discrète préserve la norme des fonctions, tandis que la décomposition harmonique sphérique peut l'augmenter. Toute série de Fourier peut être générée sur la surface d'un cercle dans chacune des directions x et y, tandis que dans le cas d'une sphère, les harmoniques sphériques sont calculées en appliquant la transformée de Fourier dans la direction longitudinale et les fonctions de Legendre associées dans la direction latitudinale.
La méthode FFT (Fast Fourier Transform) ne peut pas être utilisée pour calculer les fonctions liées à Legendre.
Les antennes utilisées dans le cadre de l’étude
- Généralités sur les antennes
- Paramètres spécifiques
- Fonction vectorielle d’antenne
- Antennes caractérisées par simulation
- Antennes caractérisées par mesures
Les diagrammes de rayonnement d'antenne pour les plans de masse de 20 mm et 80 mm sont illustrés à la Figure 3.18. Sur la figure 3.19 on retrouve la photo de l'antenne pour un plan de masse de diamètre 20 mm. La figure 3.24 montre le coefficient de réflexion de l'antenne Z pour des plans de masse de 20 mm à 88 mm.
Les diagrammes de rayonnement d'antenne 3D pour les plans de masse de 20 mm et 80 mm sont illustrés à la Figure 3.25.
Formalisme des harmoniques sphériques vectorielles ap- pliqué aux fonctions d’antennes
- Etape d’analyse : Application de la transformée VSH
- Description des bases de la décomposition (V et W)
- Etape de synthèse VSH
- Exemples d’analyse et de synthèse VSH
Le choix de l'ordre de la décomposition N est lié aux dimensions de l'antenne et à la fréquence étudiée [88]. Ce faible nombre de coefficients s'explique par la simplicité et la symétrie du diagramme de rayonnement de l'antenne dipôle (figure 3.47). De plus, les coefficients observés sont plus nombreux pour l'antenne « taiyoyuden » que pour l'antenne « thomson filtrant ».
Enfin, pour l'antenne "thomson filtrante", les coefficients observés sont négligeables, surtout pour les modes m > 3 et les ordres n > 25.
Compression des données d’antennes
- Optimisation de la synthèse VSH
- Exemples de compression de données d’antennes ULB
- Evolution des coefficients en fonction de la fréquence
- Exemple de compression en fréquence des coefficients
Les figures 3.56 et 3.57 montrent l'évolution des valeurs des modules des coefficients VSH en fonction de l'indice de fréquence. Figure 3.58 : Graphiques d'erreur de reconstruction du rayonnement de l'antenne en fonction du nombre de coefficients de synthèse VSH pour : dipôle à gauche, monocône à droite. Figure 3.59 : Graphiques d'erreur de reconstruction du rayonnement de l'antenne en fonction du nombre de coefficients de synthèse VSH pour l'antenne : « filtre Thomson » at.
Fig.3.67 : Graphiques des coefficients br de la plage k={1,2} de la décomposition fréquentielle VSH pour l'antenne dipôle.
Impact de la géométrie d’une antenne sur les coefficients VSHVSH
- Présentation de l’étude
- Etude des coefficients significatifs
- Etude conjointe de l’influence de la fréquence et de la taille du plan de massede masse
- Modélisation de l’évolution des fréquences de résonance en fonction de la taille du plan de massede la taille du plan de masse
Les couleurs indiquent les niveaux d'amplitude des coefficients (normalisés en dB) en fonction de la fréquence et de la dimension du plan de masse. Cette relation entre la diminution de la fréquence de résonance et l'augmentation de la dimension du plan de masse semble tout à fait logique. Ainsi, pour une antenne donnée, tous les coefficients significatifs suivent la même loi d'évolution de leurs fréquences de résonance en fonction de la taille du plan de masse.
Ce modèle est donné par la formule (3.40), où Fr est la fréquence de résonance et D est le diamètre de la base de l'antenne.
Conclusion
La plateforme de simulation PyRay
Introduction
Synthèse du signal reçu. Détails d’implémentation
- Importance du centrage des signaux
- Définition des bases de temps et de fréquence
- Discrétisation fréquentielle
- Interpolation des signaux
- Gestion des aller-retour entre domaines temps et fréquence
- Exemple de synthèse du signal reçu
La procédure de synthèse du signal reçu est ensuite illustrée et validée avec n'importe quel signal. Cela est dû à la méthode de liaison utilisée pour la synthèse du signal reçu. Le couple transformée de Fourier discrète (DFT) et transformée de Fourier discrète inverse (TFDI) joue un rôle central dans la synthèse du signal reçu.
Lors de la synthèse du signal reçu, les deux signaux FU correspondant à la forme d'onde émise sont multipliés par le canal.
Description de la plateforme de simulation de canal : PyRay
- Définition d’une simulation
- Description de l’environnement
- L’étape de calcul des rayons TUD
- Notion de canal vectoriel
- Notion de canal scalaire
- Synthèse du signal reçu
Lorsque la phase de lancer de rayons est terminée, la valeur du paramètre de progression de la simulation actuelle devient 2. A ce stade de la simulation, nous avons les modèles de géométrie de lancer de rayons reliant le ou les émetteurs au(x) récepteur(s). Son calcul prend en compte tous les rayons du canal de propagation 3D-TUD et la dispersion associée aux variations fréquentielles des interactions (réflexion, transmission, diffraction) sur les deux états de polarisation (θ,ˆ φ).ˆ.
Il convient de noter qu'au moment de la synthèse, le fichier d'antenne a été compensé en phase pour s'assurer que l'antenne ne cause pas de retard supplémentaire.
Validation de la plateforme de simulation de canal Py- Ray par des mesures
- Description de la campagne de mesures [1]
- La plateforme de sondage temporel du canal ULB
- L’environnement de mesure
- Confrontation simulations - mesures
Les Figures et 4.34 illustrent les réponses impulsionnelles de canal mesurées et simulées, indiquées pour les quatre positions de réception et pour certaines positions d'émission spécifiques indiquées dans le Tableau 4.4. Les courbes de réponse impulsionnelle obtenues par mesure et simulation pour d'autres positions de la source d'émission sont présentées en annexe I. Pour une vue d'ensemble, les figures 4.35 et 4.36 montrent les réponses impulsionnelles reçues mesurées (figure 4.35) et simulées (figure 4.36) pour les 4 récepteurs et pour les sources d'émission données en annexe I.1.
Cette représentation permet une visualisation compacte des réponses impulsionnelles pour différentes positions de l'émetteur T x .
Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Le quatrième chapitre décrit les principales fonctionnalités de la plateforme de simulation de canaux PyRay développée au cours de cette thèse. Nous avons détaillé les différentes solutions d'implémentation utilisées dans la synthèse du signal reçu et dans le post-traitement des données, ainsi que la structure de la plateforme. Ce chapitre contribue à la question de la sélection de l'étage d'échantillonnage de la forme d'onde, des fonctions d'antenne et du canal de propagation.
Des comparaisons avec des mesures Ultra Large Bande en mode pulsé réalisées dans le cadre du projet européen FP7-WHERE ont montré l'importance de prendre en compte l'antenne pour augmenter le réalisme des simulations, ce qui justifie les efforts consentis dans ce travail de thèse.
Réglementation des signaux ULB
- Réglementation aux Etats-Unis
- Réglementation en Europe
- Réglementation au Japon
- Les dérivées d’ordre n d’une impulsion gaussienne nor- malisées en énergie
- L’impulsion gaussienne modulée par des fonctions sinu- soïdales
À titre d'exemple, la figure A.3 montre le masque d'émission pour le GPR, qui est également valable pour les systèmes de visualisation médicale et les systèmes d'imagerie à l'intérieur des murs [99]. Les masques spectraux limitant l'émission des signaux ULB adoptés par l'ECC s'avèrent plus restrictifs qu'aux États-Unis (Figure A.4). L'ECC propose différentes limites d'émission pour les systèmes UWB avec et sans techniques appropriées de réduction des brouillages (Figure A.4).
Il est donc possible d'exprimer les paramètres de l'impulsion (A,τ) en fonction des principaux paramètres du système (puissance, bande...), afin de respecter les masques d'émission prescrits par la FCC et d'optimiser l'occupation spectrale.
Bases de la décomposition VSH (V et W)
