Canal de propagation radio

Par l’apparition des réseaux radio-mobiles cellulaires analogiques au début des années 70, nous avons assisté à une explosion de la demande en systèmes de communication sans fil. Ces dernières années, les vitesses de traitement et les tailles de stockage des ordinateurs ont considérablement augmentés. Ceci explique l’engouement du grand public pour les objets communicants, lesquels requièrent le transfert rapide d’une importante quantité d’informations.

Par rapport aux transmissions filaires, les télécommunications sans fil permettent d’assurer un accès aux réseaux locaux tout en simplifiant leurs infrastructures. Cependant, le succès de ces nouveaux systèmes conduit à une grande surcharge du spectre radioélectrique et pose un réel problème de cohabitation. De plus, ces nouveaux services nécessitant des débits de plus en plus importants, tout en garantissant une certaine qualité de service, il est nécessaire d’envisager de nouvelles techniques de transmission à très forte efficacité spectrale et/ou utilisant des fréquences porteuses de plus en plus élevées. Parmi les nouvelles techniques candidates, on retrouve la technique Ultra Large Bande (Ultra-WideBand UWB) qui fait l’objet actuellement de travaux et de développements importants. Contrairement aux systèmes radio conventionnels, elle utilise une largeur de bande très importante qui présente des avantages de transmission telle débit de transmission élevé et la faible densité spectrale de puissance.

Dans le milieu minier souterrain ce système (UWB) peut être utiliser pour transmettre les informations nécessaires pour des applications très importantes telles que la supervision, le contrôle à distance, la surveillance et la gestion de production ou pour offrir un moyen de communication entre les mineurs.

Milieu minier 

La mine expérimentale CANMET à Val d’Or situé à 500 km au nord de Montréal, Canada est une ancienne mine d’or servant aujourd’hui à former des mineurs ou à effectuer des expériences. En effet, c’est un endroit qui respecte les conditions de sécmité et c’est un environnement minier souterrain idéal pom faire une campagne de mesures de propagation d’ondes radios représentatives de ce que 1′ on rencontre dans les mines. Il s’agit d’un environnement très humide composé de plusieurs galeries rocailleuses dont le plafond, le plancher et les mms montrent une mgosité rocheuse impmtante. Le plancher, un peu moins mgueux afin de permettre une libre circulation des véhicules et du personnel, compmte de multiples flaques d’eau [2].

La technologie Ultra Large Bande (UWB)

Le développement d’un système de communication nécessite une parfaite connaissance de son milieu de transmission. Pour les systèmes radio, les architectures de l’émetteur et du récepteur doivent être dimensionnées en fonction des propriétés du canal de propagation. Ce dernier doit être caractérisé dans les environnements où le système sera déployé. Dans notre cas, nous traitons le canal minier en cadre de technologie UWB.

Canal de propagation radio 

Dans un système de communication, l’étude de la propagation des signaux se fait généralement à partir de la modélisation du canal de propagation radio. Ce canal joue un rôle majeur, car il est l’un des obstacles à la transmission fiable de l’information.

Pour estimer la puissance reçue dans un système, une modélisation des différents mécanismes de propagation et de l’environnement est mise en œuvre. La diversité des situations rencontrées (l’environnement et la fréquence …. ) conduit à des traitements de types différents. Deux types de modélisations sont retenus : l’approche statistique et l’approche théorique. Elles conduisent respectivement à des modèles empiriques et à des modèles déterministes. Les modèles empiriques sont basés sur une analyse statistique d’un grand nombre de données expérimentales, réalisées dans différents contextes de propagation et d’ environnements. Les modèles théoriques s’appuient sur les lois fondamentales de la physique et plus particulièrement sur celles de l’optique géométrique dans le cas de la propagation à l’intérieur des bâtiments.

 Propagation par trajet multiple

Au contraire de cas idéal, dans un environnement réel, une onde interfère avec les différents obstacles constituant le milieu de propagation. Aussi, elle emprunte plusieurs trajets avant d’atteindre le récepteur. On dit qu’il y a de propagation en trajets multiples. Dans le cas d’une communication en visibilité directe, un trajet relie directement l’émetteur au récepteur. Généralement, d’autres trajets issus de réflexions, de réfractions, de diffractions ou de diffuseurs constitués par les différents obstacles rencontrés viennent s’ajouter à ce trajet direct , chaque trajet suit un chemin différent avant d’arriver au récepteur. Il est caractérisé par un retard, une amplitude, une phase différente, une direction de départ et d’arrivée, et ainsi le signal reçu est une somme de tous les trajets arrivant au récepteur. Cette somme peut entrain er des intetférences destructrices ou constructrices et est responsable des fluctuations observées sur le signal reçu.

Les principaux mécanismes intervenant lors de la propagation d’une onde dans un environnement sont:
• La réflexion: le phénomène de réflexion se produit lorsque l’onde rencontre un obstacle de grande dimension et qui présente des défauts de smface de petite taille comparée à la longueur d’onde, il y a deux types de réflexion: la réflexion spéculaire si la surface est petite devant la longueur d’onde et réflexion diffuse quand la surface réfléchissante est rugueuse, nous parlons sur le phénomène de diffusion lorsqu’en présence de végétation ou à l’extérieur. Aussi, dans cettains environnements comme les tunnels et les couloirs nous parlons sur guide d’onde.
• La transmission: est le phénomène associé à la travet·sée d’un obstacle par une onde électromagnétique. En effet, pour chaque élément traversé, l’onde subit une atténuation, directement liée aux caractéristiques électromagnétiques du matériau considéré, mais aussi liée à d’autres paramètres comme l’épaisseur de la paroi traversée et l’angle d’incidence.
• La diffraction: ce phénomène se produit quand l’onde est arrêtée par un corps volumineux dont les dimensions sont grandes par rapport à la longueur d’onde du signal. il cause l’apparition d’ondes secondaires. L’énergie transmise par ces sources permet au signal de se propager dans les zones d’ombres. Ce qui donne une arrivée d’ondes radio au niveau du récepteur en l’absence de visibilité directe et en présence de perturbation causées par les autres types d’interactions.

Les variations principales du canal de propagation radio

La propagation des ondes électromagnétiques obéit à une multitude de phénomènes qui en font un mécanisme complexe, surtout s’il y a des obstacles entre l’émetteur et le récepteur. Au long de sa propagation, l’onde suit plusieurs chemins qui en raison de leur longueur et de leur vitesse de propagation induisent des temps d’arrivés différentes, de telle façon que le récepteur peut recevoir différentes répliquent du même signal à des instants différents. Ces phénomènes dépendent de la fréquence utilisée et de la nature des obstacles rencontrés. Comme souvent, lorsque les phénomènes sont complexes, on s’appuie sur des modèles mathématiques.

• L’affaiblissement de parcours (path loss) : Pour un canal radio-mobile «réel », les variations lentes du canal de propagation sont principalement dues aux pertes de puissance par propagation et aux mécanismes de masquage.
• Ombrage (shadowing) : Il représente une variation sur les conditions de propagation, causée par des obstructions importantes comme les bâtiments et les montagnes.
• Évanouissement rapide (fast fading) : ce phénomène est dû à la réception simultanée de signaux d’amplitudes aléatoires et de phases aléatoires correspondant aux différents trajets d’un même signal. Les performances d’un système de communication sont liées aux deux facteurs de canal radio : le bruit et les effets de dispersion du canal, comme les évanouissements, effets de la propagation en trajets multiples. Ainsi, le bruit additif ou nous appelons aussi bruit thermique, est l’un des importants problèmes rencontrés dans tous les canaux physiques de transmission, il est généralement modélisé par le bruit additif gaussien possédant une densité de puissance constante.

Conclusion

Ce projet de maitrise a été consacré à l’application des réseaux de neurones dans la modélisation de canal radio UWB minier, dans ce mémoire nous avons utilisé sur les mesures faites par le laboratoire LRTCS dans la mine CANMET de Val-d’Or. Depuis la régulation de son spectre d’émission par l’autorité américaine FCC en 2002, l’intérêt de l’UWB a cessé de croitre. Dans le milieu industriel et scientifique, cet engouement se manifeste par un débat intensif concernant la normalisation des systèmes UWB et par de nombreuses propositions pour la conception d’équipements performants. Par ses caractéristiques uniques, la technologie UWB peut utiliser dans le milieu minier pour atteindre plusieurs objectifs, comme la télésurveillance, la transmission vidéo avec une très haute vitesse et l’utilisation des téléphones cellulaires avec possibilité d’interconnexions directe entre les ouvriers de la mine et leurs centres d’exploitation. Pour le développement de tels systèmes de communication, le laboratoire LRTCS a lancé plusieurs travaux dans ce sens, notre travail sera un complément de ces recherches et un ajout d’une nouvelle méthode d’études.

Table des matières

CHAPITRE 1: INTRODUCTION 
1.1 CONTEXTE ETMOTIVATIONDEPROJETDE RECHERCHE
1.2 MILIEU MINIER
1.3 LA TECHNOLOGIE ULTRA LARGE BANDE (UWB)
1.3.1 Les applications UWB
1.3.2 La régulation du spectre radio UWB
1.3.3 Comparaison entre l’UWB et d’autres technologies sans fil
1.4 OBJECTIF ET PLAN DE MÉMOIRE
CHAPITRE 2: CANAL DE PROPAGATION RADIO 
2.1 INTRODUCTION :
2.2 GÉNÉRALITÉS SUR LE CANAL DE PROPAGATION RADIO
2.2.1 Propagation en espace libre
2.3 PROPAGATION PAR TRAJET MULTIPLE
2.2.1 Les variations principales du canal de propagation radio
2.3.1.1 La dispersion du canal de propagation radio
2.3.1.2 Le phénomène d’évanouissement
2.4 MODÉLISATION DE CANAL DE LA PROPAGATION RADIO
2.2.1 Formulations mathématiques
2.2.2 Distributions statistiques d’ amplitude de signal reçu par trajet-multiple
2.2.3 La distribution de l’amplitude d’un canal à trajets multiples UWB minier
CHAPITRE 3: LES RÉSEAUX DE NEURONES 
3.1 INTRODUCTION
3.2 LE MODÈLE DE NEURONE
3.2.1 Les fonctions de transfert
3.2.2  Architecture d’un réseau de neurones
3.2.3 L’apprentissage
3.3 LES APPLICATIONS DES RÉSEAUX DE NEURONES
3.4 LES TYPES DES RÉSEAUX DE NEURONES
CHAPITRE 4: MODÈLE DE RÉSEAU DE NEURONES ET MESURES UTILISÉES 
4.1 INTRODUCTION
4.2 M ÉTHODERÉTROPROPAGATION
4.3 LES MESURES UTILISÉES
4.4 RÉSEAU ET APPRENTISSAGE
4.4.1 Architecture de réseau
4.4.2 Apprentissage
4.5 ORGANISATION ET CONSTRUCTION DE FICHIERS DE DONNÉES :
4.6 LES ÉTAPES DE FONCTIONNEMENT DU MODÈLE
4. 7 CONCLUSION
CHAPITRE 5: ANALYSEDESRÉSULTATS 
5.1 INTRODUCTION
5.2 CAS D’ESPACE LIBRE
5.3 MODÉLISATION DE CANAL UWB AU NIVEAU 70 MÈTRES SOUS TERRAIN
5.3.1 Modèle neuronal avec une seule entrée
5.3.1.1 Puissance reçue en fonction de distance
5.3.1.2 Puissance reçue en fonction de la fréquence
5.3.2 Modèle neuronal avec deux entrées
5.4 ÉVALUATION DE RÉSEAU PAR LES MESURES D’UN CANAL DIFFÉRENT
5.5 CONCLUSION
CHAPITRE 6: CONCLUSION

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