Soutenance mémoire
Communications radios en environnement intérieur et minier souterrain
Leur application aussi bien en milieu intérieur qu’en milieu minier souterrain permet aux usagers de rester connectés et de s’échanger beaucoup d’informations du type données, voix, et vidéos. Mais une bonne connaissance des paramètres impliqués dans la propagation des ondes est nécessaire. Pour cette raison, plusieurs études effectuées à des bandes de fréquences différentes montrent que la nature de l’environnement influe sur la qualité du signal transmis. En effet, les encombrements à l’intérieur des bâtiments, la nature des murs, les types de mobilier constituent des obstacles et sont aussi générateurs de trajets multiples tel que confirmé dans Hashemi (1993, p.946) « The number of distinguished paths recorded in a given measurement, and at a given point in space depends on the shape and structure of the building, and on the resolution of the measurement setup ». Dans le cas d’une mine souterraine, les conditions de propagation sont beaucoup plus aléatoires et complexes tel que décrit au chapitre suivant. Et pourtant, il est nécessaire d’y implanter des systèmes de communications fiables. Dans la réalité, les environnements miniers induisent une propagation à trajets multiples qui se manifeste au niveau du récepteur par une distorsion importante des signaux reçus puisque les ondes lui arrivent avec des amplitudes, des phases et des temps d’arrivée différents comme montré par Scammell and Hammoudeh (2004, p.1178) « An important cause of amplitude and phase distortions is due to multipath propagation, where the signal arrives at the receiver having traveled over more than one path with different time delays ». Nous pouvons nous attendre à ce que le signal reçu dans la mine soit déformé d’autant plus que l’environnement considéré, avec sa nature spécifique lui est très hostile. La déformation du signal reçu est donc liée à la nature de l’environnement considéré Dès lors, il est important de modéliser ce canal de propagation à trajets multiples. Ces modèles permettront alors de mieux prédire le comportement du signal dans le canal. Il s’agit de modéliser les trajets en amplitudes et en temps d’arrivée.
Paramètres les plus fréquemment étudiés à grande et à petite échelle
Dans la plupart des études que l’on retrouve dans la littérature, l’exposant de l’affaiblissement de parcours « path loss exponent », l’effet d’ombrage « shadowing effect » et l’étalement du retard « rms delay spread » sont les paramètres les plus utilisés pour caractériser le milieu de propagation. Affaiblissement de parcours Dans de nombreuses études faites en milieux intérieurs pour des bandes de fréquences variées, comme celles de (Geng, Kivinen and Vainikainen 2005) qui caractérisent en bande large des canaux à 60 GHz dans un milieu intérieur ont donné des exposants d’affaiblissement de parcours qui varient de 1,64 à 2,17 et 3, selon qu’on soit en présence ou en absence de ligne de vue directe « en LOS ou en NLOS ». Les travaux de caractérisation statistique d’un canal radio à 60 GHz, en milieu intérieur (Smulders 2009) ont obtenu des valeurs de n qui varient de 0,56 à 5,4 selon le cas (LOS ou NLOS) et dans la plupart des cas, n < 2. Dans les travaux de (Chanez, Hakem and Delisle 2012) effectués en milieu minier souterrain qui caractérisent également le canal à 60 GHz et une autre étude (Dabin, Haimovich and Grebel 2006) effectuée en milieu intérieur à 2-6 GHz, pour une modélisation statistique d’un canal en ultra large bande et les effets de la directivité des antennes sur l’affaiblissement de parcours et sur la propagation à multi-trajets ont donné des n presque semblables, qui varient de 1,5 à 1,7.
Quant aux travaux de (Salous and Hinostroza 2005) qui ont effectué des mesures de propagation en milieu intérieur à la fréquence de 2,11 GHz, les valeurs de n obtenues dans certains des milieux étudiés varient de n = 2 à n = 3,5. Cependant dans les mines souterraines, n se trouve dans l’intervalle 1,5 et 1,99 dans les travaux de (Manoja, Peak and Schwengler 2008, Chanez, Hakem and Delisle 2012, Rissafi, Talbi and Mohamad 2012) qui ont été effectués aux fréquences de 2,4 – 5 GHz, 60 GHz et 3-10 GHz, respectivement. Ces valeurs de l’exposant d’affaiblissement de parcours sont différentes de n = 2,1 obtenu en bande étroite à la fréquence de 2,4 GHz, dans (Nerguizian et al. 2005) qui a utilisé la même mine que celle choisie pour notre étude. Ces résultats d’exposants de l’affaiblissement de parcours s’expliquent par la nature et les types d’objets encombrants dans les environnements où sont effectuées les études. Et pour le cas des mines souterraines, s’y ajoutent la forte rugosité des parois des mines, le phénomène de guide d’onde. En effet, en présence de ce précédent phénomène (guide d’onde), probablement causé par la nature et les propriétés physiques des parois des mines, l’exposant d’affaiblissement de parcours en situation de ligne de vue directe est en dessous de la valeur de n = 2 en espace libre. Le fait que les ondes soient canalisées, guidées, fait que les pertes en puissance reçue s’amoindrissent, d’où la raison de ces valeurs de n obtenues. Ce phénomène est observé dans la plupart des études, comme celles de (Geng, Kivinen and Vainikainen 2005) et celles de (Smulders 2009) effectuées en milieu intérieur. Les types de combinaison d’antennes directionnelle – directionnelle et directionnelle – omnidirectionnelle ont également une influence sur ces résultats. De nombreuses études dont celles de (Rappaport 1989) montrent que l’affaiblissement de parcours est fortement corrélé à la distance. Ces différences au niveau des valeurs de l’affaiblissement de parcours sont discutées au chapitre 3 de ce mémoire.
Techniques de mesures du canal
Bien qu’un canal de propagation radio soit difficile à caractériser à priori, il est possible d’y faire des mesures de propagation afin de le caractériser. Selon les bandes de fréquences utilisées dans une étude, il est soit à bande large, soit à bande étroite. Mais dans ce mémoire, seul le cas du canal à bande large3 est considéré. En effet, les types d’applications ou services que l’on vise à intégrer ne fonctionneraient pas à bande étroite, ils sont gourmands en bandes passantes. Ainsi, pour (Pahlavan and Levesque 1995), les mesures en bande large peuvent être faites dans le domaine temporel en mesurant directement la réponse impulsionnelle du canal, ou dans le domaine fréquentiel en mesurant directement la réponse fréquentielle du canal. D’abord, la technique du « Direct pulse system », qui est selon (Rappaport 2002) une approche de sondage de canal, qui a l’avantage d’être simple. Par contre, elle est assujettie à une interférence à cause du filtre large bande qui est nécessaire pour une résolution temporelle des multi-trajets. De plus, cette technique dépend de la capacité de la première arrivée à déclencher l’oscilloscope. Aussi, elle ne permet pas d’avoir de l’information sur les phases des composants de multi-trajets individuels à cause de l’utilisation d’une enveloppe détectrice. Mais, il pourrait bien les recevoir (les phases) si ce système est associé à un détecteur cohérent.
Ensuite, le « Spread spectrum sliding correlator », est selon (Rappaport 2002) une technique qui consiste à étaler le signal porteur à travers une grande bande passante en le mélangeant avec une séquence pseudo-noise binaire (PN) à une durée chip (TC) et à un taux chip (RC) en Hz qui est l’inverse de la durée chip (Rc) = 1/TC. Cette technique a la faculté d’améliorer la plage dynamique du système lorsqu’elle est comparée à la technique précédente. Elle est également capable de rejeter l’interférence (le bruit). Aussi, à cause de son « processing gain », les puissances du transmetteur peuvent considérablement être réduites. Cependant, contrairement à la précédente technique, elle ne permet pas des mesures en temps réels, et les délais requis pour les mesures du profil de délai de puissance « power delay profile » peuvent être excessifs. De plus, un détecteur non cohérent est utilisé, faisant alors que les phases des composants multi-trajet individuels ne puissent pas être mesurées.
Enfin, la technique « Frequency domain channel sounding » est une solution à certains des problèmes décelés chez les techniques précédentes. Selon (Rappaport 2002), la technique est bonne et permet de recueillir de l’information sur l’amplitude, sur la phase dans le domaine temporel après que la réponse impulsionnelle du canal ait été soumise à l’inverse de la transformée de Fourier discrète (IDFT). Cependant, les mesures ne sont pas effectuées en temps réels, et dans le cas d’un canal variant dans le temps, la réponse fréquentielle du canal peut varier rapidement, pouvant mener à des mesures erronées de la réponse impulsionnelle. Aussi, elle requiert une bonne calibration et une bonne synchronisation de type filaire entre le récepteur et le transmetteur. Pour cette raison, elle est utile pour des mesures effectuées sur de petites distances. Quelle que soit la technique de mesures du canal utilisée (que l’étude soit complétée dans le domaine fréquentiel ou temporel), le facteur de la disponibilité des équipements est déterminant dans le choix de ces techniques. C’est pourquoi, la troisième technique « Frequency domain channel sounding » est choisie pour ce mémoire. Ce choix est motivé par la disponibilité des équipements et principalement, un analyseur de réseau « Vector Network Analyzer ».
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTAT DE L’ART
1.1 Propagation des ondes
1.1.1 En espace libre
1.1.2 En espace obstrué
1.2 Communications radios en environnement intérieur et minier souterrain
1.2.1 Modélisation statistique
1.2.2 Paramètres les plus fréquemment étudiés à grande et à petite échelle
1.2.3 Importances et technologies expérimentées en mines souterraines
1.3 Techniques de mesures du canal
1.4 Remarques sur certains résultats de mesures obtenus en milieux intérieurs et miniers souterrains
CHAPITRE 2 PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL
2.1 Description de l’environnement, CANMET
2.2 Montage expérimental
2.3 La campagne de mesures
2.3.1 Le travail préparatoire
2.3.2 Les mesures
2.3.2.1 À grande échelle
2.3.2.2 À petite échelle
CHAPITRE 3 ANALYSE DES RÉSULTATS
3.1 À grande échelle
3.1.1 Réponses fréquentielle et temporelle du canal
3.1.2 Affaiblissement de parcours et effet d’ombrage
3.1.3 Conclusion du scénario de la grande échelle
3.2 À petite échelle
3.2.1 Étalement du retard (RMS delay spread)
3.2.2 Bande de cohérence (Bc)
3.3 Discussions des résultats
3.3.1 Distribution de la puissance reçue
3.4 Conclusion de la petite échelle
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS POUR TRAVAUX FUTURS
ANNEXE I LES ANTENNES
ANNEXE II LES AMPLIFICATEURS
ANNEXE III LA TABLE VELMEX/LE VNA
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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