radio en contexte Ultra Large Bande

La méthode utilisée consiste en une approche expérimentale qui implique l’examen de l’appareil reproducteur. Pour les systèmes radio, les architectures de l'émetteur et du récepteur doivent être dimensionnées en fonction des caractéristiques du canal de propagation.

La technologie Ultra Large Bande

Introduction : qu’est-ce que l’ UWB ?

• Définition
• Évolution historique
• Principales caractéristiques de l’ UWB
• Applications UWB

En raison de leur large bande passante, les signaux UWB ont une résolution temporelle élevée, généralement de l’ordre de la nanoseconde. Le débit attendu est de l’ordre du standard Zigbee, avec une portée d’une centaine de mètres.

La régulation du spectre radio UWB

Ce type d'application est adapté au mode de communication UWB longue distance et bas débit. En conclusion, il convient de noter que la plus grosse contrainte réglementaire vient de la gestion des perturbations.

Principes de communication UWB

• Radio impulsionnelle
• Étalement de spectre UWB
• Modulation OFDM sur bandes multiples

Enfin, l'approche multibande consiste à utiliser des bandes de fréquences de largeur minimale (de l'ordre de 500 MHz). En effet, le terme ∆ représente un intervalle de temps de l'ordre de T2c, et les termes dk.

La propagation radioélectrique à l’intérieur des bâtiments

Définition du canal de propagation

• Propagation en espace libre
• Propagation par trajets multiples
• Variations du canal de propagation

L'effet Doppler correspond au décalage apparent de la fréquence d'un signal électromagnétique provoqué par la variation de son chemin de propagation. Les variations dans le temps reflètent l'effet des changements dans l'environnement à proximité d'une liaison radio fixe [Hashemi 94a].

Représentation du canal de propagation

• Formulation mathématique
• Caractérisation des canaux déterministes
• Caractérisation des canaux aléatoires linéaires
• Classification des canaux

Dans ces conditions, les fonctions d'autocorrélation de la réponse impulsionnelle et la fonction de transfert variable dans le temps sont écrites. De la même manière que pour l'hypothèse WSS, les fonctions d'autocorrélation de la réponse bifréquence et de la fonction de transfert variable dans le temps peuvent être simplifiées (en notant Ω la différence de fréquence - f).

Paramètres de caractérisation du canal

• Sélectivité fréquentielle
• Variabilité lente
• Évanouissements rapides
• Analyse spectrale

La fenêtre de retard q% est la durée de la partie centrale du PDP qui contient q% de l'énergie totale. Selon les définitions présentées dans la figure 1.15, l'intervalle de retard est exprimé comme suit.

Modèles de canal radio UWB

• Modèle Cassioli-Win-Molisch
• Modèles IEEE 802.15
• Modèle IEEE 802.15.3a
• Modèle IEEE 802.15.4a
• Approche fréquentielle
• Un exemple de modèle déterministe

Suivant le formalisme de Saleh et Valenzuela (voir section 1.2.3.1), le modèle PDP peut donc s'écrire sous la forme. Le modèle propose donc deux taux d'arrivée des rayons λ1 et λ2, ainsi qu'un paramètre de mélange.

Conclusion

La résolution temporelle est généralement définie comme la moitié de la largeur du pic de réponse impulsionnelle du sonar. Dans le cas du canal de propagation UWB, la résolution temporelle est généralement bonne compte tenu de la largeur de la bande passante d'analyse.

Les méthodes de sondage du canal radio UWB

Méthodes fréquentielles

• Analyseur de réseau vectoriel
• Sondeur chirp

Pour une bande d'analyse de plusieurs GHz, la durée de la mesure est de l'ordre d'une dizaine de secondes. Lors de mesures réalisées avec un VNA, il faut donc s'assurer que l'environnement reste statique pendant toute la durée de la mesure.

Méthodes temporelles

• Mesures par impulsions
• Mesures par corrélation
• Techniques d’inversion

La technique directe utilisant un générateur d'impulsions se limite donc à mesurer seulement une partie de la bande FCC. Les sondeurs à corrélation temporelle présentent les avantages d'une dynamique de réponse impulsionnelle élevée et d'un fonctionnement possible en temps réel. La différence réside dans l'estimation de la réponse impulsionnelle, qui se fait à l'aide d'un filtre estimateur.

Solution sélectionnée pour le canal UWB statique

• Sondeurs
• Dispositifs de mesure spatiale
• Antennes
• Amplification et calibration

La bande analysée, échantillonnée en 1024 points, est la longueur de la réponse impulsionnelle mesurée. En utilisant la fenêtre de Hanning, la résolution de la réponse impulsionnelle résultante est R(mes)t = 0,25 ns. Lors de la première campagne de mesures, des antennes omnidirectionnelles fonctionnant dans la bande 4 GHz - 6 GHz ont été utilisées (cf.

Extension d’un sondeur SIMO vers l’ UWB

• Principe du sondage temporel à balayage fréquentiel
• Description du sondeur de canal SIMO
• Extension vers l’ UWB
• Principe
• Filtrage et intégration
• Synchronisation émetteur-récepteur
• Calibration fine des bandes partielles
• Validation expérimentale
• Environnement statique
• Environnement dynamique
• Etude Doppler

La configuration à 5 bandes partielles permet un temps de répétition minimum des mesures d'environ 1 ms. Les réponses impulsionnelles sont moyennées sur 100 mesures consécutives pour réduire le bruit de mesure. On remarque clairement l’intérêt d’élargir la bande mesurable en termes de résolution.

Récapitulatif des campagnes de mesures du canal UWB

Le tableau 2.2 résume toutes les mesures UWB enregistrées et fournit diverses informations à leur sujet. Parmi les premières études UWB, le laboratoire UltRaLab de l'Université de Californie du Sud a mené deux campagnes de recherche en 1997, mais la plupart des expériences UWB ont commencé en 2000. Au sein de cette bande, seules deux expériences ont permis des mesures UWB en temps réel [Pendergrass 02, Cassioli 03 ] .

Conclusion

• Mise en œuvre expérimentale
• Pertes par propagation
• Paramètres grande échelle
• Paramètres petite échelle
• Bilan de la campagne préliminaire

Lors de la validation expérimentale de l'équipement, des mesures en temps réel ont été réalisées sur la bande 5 GHz - 6 GHz, ce qui a permis l'observation des variations de canal et l'étude Doppler. L'étude a consisté à analyser la répartition statistique de l'amplitude du signal reçu à chaque retard. La campagne de mesures suivante a donc été dimensionnée pour permettre de sonder la bande 3,1 GHz - 10,6 GHz.

Étude du canal radio UWB sur la bande 3,1 GHz - 10,6 GHz

Mise en œuvre expérimentale

• Réalisation des mesures
• Analyse de l’antenne

On peut observer que les caractéristiques de l'antenne changent considérablement avec la fréquence. Pour évaluer l'influence de l'antenne sur les pertes de propagation lors de notre expérience, considérons le trajet direct dans une situation typique, illustrée par la figure 3.9. 3.8 – Dispersion de l'antenne CMA118/A dans le diagramme d'azimut Gain minimum, moyen et maximum en azimut pour chaque élévation aux fréquences 3 GHz (a), moyenne de 7 GHz et gain maximum en azimut pour chaque élévation aux fréquences 3 GHz (a), 7 GHz (b) et 10 GHz (c).

Pertes par propagation en fréquence

• Effet de l’antenne
• Coefficient de pertes par propagation en fréquence

D'autres approches de caractérisation ont été proposées, certains auteurs ont proposé de modéliser la fonction de transfert de puissance en dB par rapport à une fonction exponentielle [Alvarez 03] ou affine [Haneda 04] de la fréquence. Pour chaque point de mesure, les pertes de propagation P L (f, d) ont été extraites de la fonction de transfert de puissance à des fréquences sélectionnées. Ainsi, les pertes de propagation normalisées P Lnorm(f) peuvent alors être comparées au modèle de forme.

Pertes par propagation en distance

• Bande d’analyse globale
• Influence de la fréquence

Conformément à l'analyse précédente sur les pertes de fréquence, tous les points de mesure ont été ajustés à la formule générale de la forme. Peu de résultats sur l’influence de la fréquence sur les paramètres de perte reproductive sont disponibles dans la littérature. Les paramètres σS et P L(f0, d0) ne semblent pas affectés par la fréquence centrale de la bande considérée.

Paramètres grande échelle

• Dispersion des retards
• Coefficients de décroissance exponentielle
• Coefficients de décroissance en puissance
• Taux d’arrivée des clusters et des rayons

La valeur moyenne du paramètre γ, calculée sur tous les points de mesure valides, est représentée en fonction de la fréquence sur la figure 3.16. 3.16 – Coefficient de décroissance exponentielle moyen pour différentes bandes partielles La longueur de la ligne verticale représente l'écart type correspondant. La recherche des rayons se fait de manière itérative, à partir de la réponse impulsionnelle sous sa forme réelle h<(τ).

Paramètres petite échelle

Conclusion

• Mise en œuvre expérimentale
• Observation de la propagation d’un front d’onde
• Analyse statistique
• Variations de la puissance totale reçue
• Dispersion de la puissance totale reçue et largeur de bande . 112
• Caractérisation de la distribution d’amplitude
• Bilan de l’étude pseudo-dynamique

Durant cette partie de l'expérience, l'antenne émettrice était positionnée en un point fixe sur la grille de mesure. Nous avons donc calculé la fonction de distribution de l'enveloppe du signal reçu à chaque retard τ de la réponse impulsionnelle (t, τ). Comme on peut le constater, la distribution de Weibull est caractéristique pour la plupart des mesures effectuées.

Étude du passage de personnes par la mesure temps réel

Mise en œuvre expérimentale

La répartition de la puissance reçue augmente avec le nombre de personnes, mais reste plus grande à mesure que l'antenne se déplace. En raison de la haute résolution des signaux UWB, le retard associé aux principaux chemins de réponse impulsionnelle change à mesure que l'antenne se déplace. En se déplaçant, les personnes bloquaient parfois la ligne de vue (LOS) et d’autres voies de réponse impulsionnelle primaires.

Analyse des variations temporelles

• Évanouissements lents
• Évanouissements rapides
• Analyse spectrale

Pour cela, nous avons étudié l'évolution de la puissance moyenne reçue par le trajet direct en présence de personnes. Dans notre exemple, la puissance moyenne de la composante aléatoire est inférieure de 12 dB. La figure 4.16 présente la fonction de diffusion moyenne PS(τ, ν) de la composante aléatoire pour le retard τ correspondant au trajet direct.

Interprétation des caractéristiques observées

Considérons maintenant le cas où l'antenne de réception est placée au-dessus de la hauteur des personnes, comme le montre la figure 4.17(b). Comme dans notre expérience, nous pouvons observer une certaine asymétrie de la fonction de diffusion liée au mouvement vers l'avant ou vers l'arrière des diffuseurs. Ainsi, il semble que l’asymétrie de la fonction de diffusion soit principalement due au masquage variable des trajets diffus.

Conclusion

Modèle de pertes par propagation

La première étape dans la construction du modèle de canal UWB concerne l'atténuation due à la propagation du signal. Le modèle d'atténuation est donc gouverné par 3 paramètres : le coefficient de perte de propagation en distance Nd, l'écart type σS de la variable S(d) et l'atténuation à une fréquence et une distance arbitraires P L(f0, d0 ). On peut noter que les valeurs données pour la constante P L(f0, d0) sont de l'ordre de grandeur de la valeur théorique obtenue en espace libre.

Modélisation de la réponse impulsionnelle

• Description de la réponse impulsionnelle sur une bande infinie134
• Évanouissements rapides

En pratique, la réponse impulsionnelle est observée dans une bande limitée située dans la bande 3,1 GHz - 10,6 GHz. Notre analyse des variations des canaux radio a montré que les fluctuations d'amplitude de la réponse impulsionnelle sont caractérisées par une distribution de Rayleigh dans des clusters diffus à trajets multiples (voir Section 4.1). Les fluctuations de l'amplitude de la réponse impulsionnelle sont dues à des interférences entre plusieurs chemins proches.

Variations spatiales et temporelles

Modélisation des fluctuations spatiales

A partir de la réponse impulsionnelle générée au point (x0, y0) donnée par l'équation (5.17) et connaissant l'azimut d'arrivée de chaque rayonΦl+ϕk,l, on peut calculer la fonction de transfert sur une bande limitée à un point (x, y) proche calculé au point (x0, y0):. 3) Pour les configurations intérieures monophasées LOS et NLOS. Les trajectoires principales suivantes s'allongent (b, c et d) ou se raccourcissent (e) au fur et à mesure de leur déplacement, en fonction de leur azimut d'arrivée. Ceci est dû au faible écart type de l'azimut d'arrivée des rayons σϕ =6,7°, qui devra être affiné par des observations expérimentales.

Modélisation de l’effet des personnes

• Effet des personnes sur un trajet principal
• Extension du modèle à la réponse impulsionnelle

Lors de l'étude de caractérisation, nous avons observé que l'amplitude de la composante aléatoire suivait une loi de Rayleigh. 5.25) où σ02 représente la puissance de la composante aléatoire, νRM S représente la dispersion Doppler et τ correspond au retard d'un des chemins principaux de la réponse impulsionnelle. Ce modèle peut être appliqué au signal reçu via l’une des principales voies de réponse impulsionnelle.

Résultats de simulation

Trois paramètres représentatifs de l'étalement introduit par le canal de propagation ont été calculés sur l'ensemble des PDP générés : l'étalement des retards τRM S, la fenêtre des retards à 75%W75% et la bande de cohérence à 90%Bc,90%. Les valeurs moyennes obtenues pour ces paramètres en mesure et simulation sont comparées pour les LOS et les situations. Les valeurs obtenues pour la fenêtre de retard et la bande de cohérence s'écartent encore de nos observations expérimentales, mais restent dans l'ordre de grandeur des caractéristiques mesurées.

Conclusion

On peut donc considérer que les propriétés du canal restent constantes dans la bande définie par la FCC, à l'exception de l'atténuation de la puissance reçue. Dans le chapitre 4, nous avons présenté quelques expériences dédiées à l'étude des variations des canaux radio UWB. Enfin, deux extensions ont été proposées pour modéliser les variations spatiales et temporelles du canal de propagation.

Définitions

• Distribution de Rayleigh
• Distribution de Rice
• Distribution de Nakagami
• Distribution de Weibull
• Distribution normale
• Distribution log-normale
• Distribution de Laplace

Pour estimer les paramètres aetb, nous utilisons la fonction wblfit fournie par le programme MATLAB®. La distribution normale est définie par deux paramètres, sa moyenne et son écart type σ. La distribution de Laplace [Spencer 97] est caractéristique des angles d'arrivée associés aux rayons d'un réseau et sert également à décrire le spectre Doppler observé dans les fluctuations rapides du signal généré lors du passage des personnes.

Test d’adéquation de Kolmogorov-Smirnov

En raison de la bande limitée des sondeurs, la réponse réelle mesurée est théoriquement donnée par. Un algorithme d'identification de faisceaux tente de répondre à la question suivante : quelle est la valeur optimale du vecteur réel {βk;τk}k∈[1;K], pour que la réponse impulsionnelle simulée par l'équation (C .2) soit la plus proche soit à la réponse impulsionnelle mesurée. La réponse impulsionnelle réelle restante (τ) correspond à la réponse impulsionnelle mesurée, à laquelle sont soustraits les rayons déjà identifiés.

Accélération du temps de calcul

• Les principaux standards WLAN / WPAN : débit et portée maximale
• Systèmes radio présents dans les bandes UHF et SHF
• Masques d’émission des systèmes UWB
• Spectres et signaux UWB
• Formes d’impulsions UWB
• Trains d’impulsions en radio impulsionnelle
• Bandes partielles pour la solution MB-OFDM
• Canal de propagation et canal de transmission
• Principaux mécanismes de propagation
• Addition constructive et destructive de deux trajets de propagation
• Représentations équivalentes d’un canal radiomobile statique
• Fonctions de caractérisation d’un canal déterministe
• Fonctions de corrélation d’un canal aléatoire WSSUS
• Profil puissance-retard illustrant la fenêtre des retards et l’intervalle des retards 32
• Résolution temporelle d’un sondeur large bande
• Antennes de mesure UWB
• Mesure de propagation par sondage fréquentiel
• Signal chirp
• Mesure de propagation par sondage impulsionnel
• Mesure de propagation par sondage à séquence PA
• Configuration matérielle pour le sondage UWB statique
• Dispositifs de mesure
• Antennes de mesure
• Diagramme de l’antenne CMA118/A
• Sondeur AMERICC
• Schéma bloc du récepteur
• Schéma bloc du récepteur modifié pour son extension à l’ UWB
• Chronogramme des phases de commutation et d’acquisition en réception
• Balayage des bandes partielles et filtrage
• PDP mesurés en environnement statique
• Réponse impulsionnelle variant dans le temps en environnement dynamique 67
• Positionnement des mesures lors de la campagne préliminaire
• Pertes par propagation en fonction de la distance (campagne préliminaire)
• PDP typiques mesurés lors de la campagne préliminaire
• Dispersion des retards en fonction des pertes par propagation
• TEB optimal pour différentes largeurs de bande
• Positionnement des mesures lors de la campagne de sondage UWB
• Axe de référence de l’antenne CMA118/A
• Dispersion du diagramme de l’antenne CMA118/A en azimut
• Configuration des antennes lors de la mesure
• Fonction de transfert en puissance mesurée comparée à la formule de Friis . 86
• Pertes par propagation en fonction de la distance
• PDP et réponse impulsionnelle typiques
• Dispersion des retards moyenne pour différentes bandes partielles
• Extraction des coefficients de décroissance exponentielle inter- et intra-cluster 95
• Profil puissance-retard : adaptation du formalisme de Saleh et Valenzuela
• Extraction des coefficients de décroissance en puissance inter- et intra-cluster 98
• Diagrammes quantile-quantile de la durée inter-rayons
• Exemple d’analyse du paramètre m
• Environnement de l’expérimentation pseudo-dynamique
• Propagation d’une impulsion UWB sur une grille de 1 m 2
• Fonctions de répartition expérimentales de la puissance totale reçue
• Écart-type de la puissance totale reçue en fonction de la largeur de bande
• PDP mesuré en présence de 10 personnes mobiles en situation LOS
• Fonctions de répartition expérimentales de l’amplitude de la réponse impul-
• Évolution du paramètre b de Weibull
• Évolution du paramètre b de Weibull après compensation du déplacement de
• Environnement de l’expérimentation temps réel
• Réponse impulsionnelle typique
• Réponse impulsionnelle variant dans le temps lors du passage de 12 personnes 122
• Évanouissements lents typiques pour le trajet LOS
• Décomposition vectorielle du signal reçu
• Évanouissements rapides de la composante aléatoire
• Fonction de diffusion moyenne pour la composante aléatoire
• Modèle de diffuseurs distribués uniformément
• Fonction de diffusion simulée pour la composante aléatoire
• Réponse impulsionnelle simulée sur une bande infinie
• Fonction de transfert simulée sur une bande limitée
• Réponses impulsionnelles simulées sur une bande limitée
• PDP simulé sur une bande limitée
• Évolution du paramètre b de Weibull en simulation
• Variation de la longueur d’un trajet lors du déplacement de l’antenne
• Simulation de réponse impulsionnelle variant dans l’espace
• Simulation d’évanouissements temporels sur un lien radio UWB
• Configuration de simulation pour le passage de personnes
• Simulation de réponse impulsionnelle variant dans le temps
• PDP et réponse impulsionnelle obtenus en simulation

La modélisation des variations temporelles du canal radio UWB nécessite la génération d'une composante aléatoire représentant une distribution d'amplitude de Rayleigh et un spectre Doppler de Laplace. Un certain nombre de méthodes adaptées à un spectre Jakes ou Doppler gaussien ont été proposées dans [Pätzold 02]. Nous avons choisi la technique intitulée Method of Exact Doppler Spread, en l'adaptant au spectre Doppler de Laplace.

Test de Kolmogorov-Smirnov : fonctions de répartition théorique et empirique 169

Détail des réponses impulsionnelles mesurée et simulée

Il n'existe pas de solution générale pour réaliser un processus aléatoire complexe à partir d'une distribution d'amplitude et d'un spectre Doppler arbitraires ; la technique à utiliser dépend des distributions choisies. Pour le calcul des paramètres de simulation, la méthode exacte de la technique de diffusion Doppler est détaillée pour le spectre Jakes Doppler et le spectre Doppler gaussien dans [Pätzold 02,. Dans la méthode utilisée, les valeurs des paramètres enci,netθi,ns sont indépendantes du spectre Doppler.