Soutenance mémoire
ENVIRONNEMENT DE PROPAGATION ET GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FILS
Environnement des systèmes de radiocommunication
Transmettre de l’information d’un point à un autre sans-fil nécessite un système de radiocommunication. Ce système utilise le canal hertzien comme support physique. Au cours de sa propagation, l’onde transmise traverse différents types de canaux jusqu’à atteindre sa cible. Ces canaux affectent l’onde émise. Cela rend nécessaire l’étude des canaux de propagation. Les performances de transmission dépendent considérablement des caractéristiques du canal. Selon les conditions d’observation, ces canaux peuvent être considérés comme statiques ou dynamiques.
La propagation en espace libre
Selon l’environnement de propagation, les influences du canal diffèrent. Le modèle d’espace libre permet d’avoir une première approche . Dans le cas d’une liaison en vue directe, connue aussi sous le terme LOS (Line Of Sight) entre l’émetteur et le récepteur, une ellipse appelée zone de Fresnel permet de cerner la validité du modèle espace libre dans un canal réel. Effectivement, si cette zone n’est pas dégagée, le modèle n’est plus valable.
La propagation hors espace libre
Les situations les plus courantes de propagation des systèmes de radiocommunication sont loin d’être en espace libre. Les obstacles de différentes formes géométriques et de diverses caractéristiques physiques perturbent la propagation. Ces perturbations se traduisent par des fluctuations de la puissance du signal reçu en fonction de la distance .Les pertes en fonction de la distance et les effets de masquages [1] sont les phénomènes à l’origine de ces variations. La décroissance en 1/d est la principale perte de puissance. La densité de puissance se réduit au fur à mesure que l’onde s’éloigne de sa source jusqu’à atteindre l’antenne réceptrice. L’influence des obstacles rencontrés par l’onde varie selon leurs configurations.
En plus de la décroissance de la densité de puissance en fonction de la distance, entre l’antenne d’émission et l’antenne de réception, le signal subit deux types de pertes : pertes à petite et grande échelle. Comme le décrit la figure 1.02, les pertes à grande échelle définissent les fluctuations de la puissance moyenne mesurées sur un déplacement de plusieurs dizaines de longueurs d’onde. Les fluctuations à petite échelle sont observées sur un déplacement suffisamment petit (quelques longueurs d’onde). La présence d’obstacles dans l’environnement de propagation causant l’apparition de différentes répliques du signal émis au niveau du récepteur est la cause principale de ces variations. Selon leurs phases d’arrivée au niveau de l’antenne, la somme de ces répliques peut être constructive ou destructive. C’est la source du phénomène d’évanouissement. Ces obstacles naturels (sol, arbres, bâtiments, etc.) qui se trouvent sur le trajet de l’onde. Il en résulte une multitude de trajets et donc, une multitude d’ondes retardées, atténuées et déphasées au niveau du récepteur.
Les phénomènes de base en propagation
Les obstacles rencontrés par le signal lors de son trajet de l’antenne d’émission à l’antenne de réception agissent différemment sur le signal. En effet, différents phénomènes apparaissent selon la taille vis à vis de la longueur d’onde λ, de la nature et de la forme de ces obstacles [2]. La réflexion, la diffraction et la diffusion sont les trois principaux mécanismes qui perturbent le signal [3,4]. Leur description est la suivante :
❖ Réflexion/Réfraction: Les phénomènes de réflexion et de réfraction apparaissent lorsque l’obstacle rencontré par l’onde a une taille très supérieure et de très petites irrégularités devant la longueur d’onde du signal.
❖ Diffraction: Des phénomènes de diffraction apparaissent lorsque le chemin de propagation est obstrué par un obstacle imperméable aux ondes électromagnétiques. Les dimensions de cet obstacle doivent être faibles devant la longueur d’onde du signal ou l’obstacle possède des arêtes vives. L’énergie transmise par ces sources permet au signal de se propager dans les zones d’ombre, ce qui explique l’arrivée d’ondes radio au niveau du récepteur en l’absence de visibilité directe et d’interventions des autres types d’interactions. C’est une grande source de mutlitrajets.
❖ Diffusion: La diffusion apparaît s’il existe sur le trajet de l’onde une zone très dense d’objets de dimensions du même ordre de grandeur ou inférieures à la longueur d’onde. Le même phénomène est observé avec une surface rugueuse présentant des irrégularités suffisamment petites . On distingue deux principaux types de réflecteurs :
o Diffuseurs locaux: Les diffuseurs locaux sont les obstacles proches de l’émetteur ou du récepteur. Au niveau du récepteur, les diffuseurs placés dans son voisinage occasionnent un grand étalement angulaire des échos et un étalement temporel faible. Les diffuseurs proches de l’émetteur introduisent de faibles étalements, temporel et angulaire.
o Diffuseurs lointains: Les diffuseurs lointains désignent les obstacles éloignés simultanément de l’émetteur et du récepteur. Ils donnent lieu à des trajets multiples généralement caractérisés par un fort étalement temporel.
Selon l’application envisagée, ces obstacles peuvent être considérés comme un avantage ou un inconvénient. Par exemple, lorsque l’émetteur et le récepteur sont en vue directe (LOS), la réflexion perturbe la liaison. Cependant, dans le cas du canal NLOS (Non Line Of Sight), la diffraction et la diffusion assurent la continuité de la liaison.
La propagation par trajets multiples
Les phénomènes précédemment présentés modifient le signal transmis. De nombreuses répliques de ce signal sont ainsi créées. Celles-ci sont plus ou moins retardées selon les longueurs des trajets effectués. Dès lors, elles sont plus ou moins atténuées selon la distance parcourue et selon les phénomènes de base rencontrés. A la réception, ces répliques se combinent de façon constructive ou destructive donnant naissance à des évanouissements . Dans le cas du canal radio mobile, en supposant que les diffuseurs sont uniformément répartis sur [0 ; 2π [, ces évanouissements apparaissent statistiquement en moyenne tous les λ/2. Les systèmes de radiocommunications mobiles, que ce soit à l’intérieur ou l’extérieur des bâtiments, sont ainsi soumis aux distorsions induites par les trajets multiples. Cependant dans le cas NLOS, les trajets multiples évitent l’interruption de la liaison entre l’émetteur et le récepteur.
|
Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 ENVIRONNEMENT DE PROPAGATION ET GENERALITE SUR LES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FILS
1.1 Environnement des systèmes de radiocommunication
1.1.1 La propagation en espace libre
1.1.2 La propagation hors espace libre
1.1.2.1 Les phénomènes de base en propagation
1.1.2.2 La propagation par trajets multiples
1.1.2.3 Les pertes moyennes hors espace libre
1.1.3 Le bruit radioélectrique
1.1.4 Canal de propagation
1.1.4.1 Modélisation du canal de propagation
1.1.4.2 Dispersions dans les canaux
1.1.4.3 Les dispersions temporelles
1.1.4.4 Les dispersions fréquentielles
1.1.4.5 La sélectivité des canaux
1.1.4.6 La diversité dans le canal
1.2 Réseaux de capteurs sans fil
1.2.1 Description d’un Capteur
1.2.1.1 Définition
1.2.1.2 Propriétés
1.2.1.3 Caractéristiques
1.2.1.4 Types de batterie
1.2.2 Technologie de collecte d’énergie
1.2.3 Méthodes de collecte d’énergie
1.2.4 Architectures de récupération d’énergie
1.2.5 Description d’un réseau de capteurs sans fil
1.2.5.1 Définition
1.2.5.2 Domaine d’application
1.2.6 Communication coopérative
1.2.6.2 Coopération via un simple relais
1.2.6.3 Coopération via une communication directe
1.2.6.4 Coopération via des multi-Branches
1.2.6.5 Coopération via clustring
1.2.7 Différents niveaux de coopération
1.2.7.1 Couche physique
1.2.7.2 Couche MAC
1.2.7.3 Couche réseau
1.2.7.4 Etablir une route stable
1.2.8 Contrôler la topologie du réseau
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 EVALUATION DES SYSTEMES MIMO
2.1 Introduction
2.2 Modèle théorique d’un système MIMO
2.3 Les techniques MIMO
2.3.1 Systèmes multi-antennes avec CSI à la réception
2.3.1.1 Systèmes MIMO à multiplexage spatial
2.3.1.2 Systèmes MIMO à codage espace-temps
2.3.2 Systèmes multi-antennes avec CSI à l’émission et à la réception
2.3.2.1 Systèmes MIMO utilisant des techniques de water-filling
2.3.3 Systèmes multi-antennes sans CSI ni à l’émission ni à la réception
2.4 Critères d’analyses de performance des systèmes
2.4.1 SNR moyen dans un canal à évanouissements rapides
2.4.2 Probabilité d’erreur moyenne
2.4.2.1 Evanouissements rapides
2.4.2.2 Evanouissements lents
2.5 Evaluation de système MIMO-coop
2.5.1 Architecture
2.5.2 Description du modelé
2.5.2.1 Modèle
2.5.2.2 Sélection des relais coopèreront
2.5.3 Analyse de la consommation énergétique pour les WSNs
2.5.3.1 Modèle énergétique
2.5.3.2 Consommation énergétique (SISO et MIMO)
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3 LE CODAGE SPATIO-TEMPOREL
3.1 Introduction
3.2 Construction des codes
3.2.1 L’efficacité spectrale
3.2.2 La robustesse
3.2.3 La complexité
3.2.4 Hypothèses
3.2.5 Critères de construction des codes espace-temps
3.2.6 Architecture générale d’un système de codage spatio-temporel
3.2.7 Différentes Classes des codes spatio-temporels
3.2.7.1 Codes ST en Treillis
3.2.7.2 Codes ST en blocs
3.2.7.3 Codes ST orthogonaux
3.2.7.4 Code d’Alamouti
3.2.7.5 Codes Spatio Tempo Fréquentiels (STF)
3.3 Algorithmes de décodage associés aux techniques MIMO
3.3.1 L’égaliseur de forçage à zéro (ZF)
3.3.2 L’égaliseur minimisant l’erreur quadratique moyenne (MMSE)
3.3.3 L’égaliseur à annulations successives d’interférences ordonnées
3.3.4 L’égaliseur à Maximum de Vraisemblance
3.3.5 Le décodage par sphère
3.4 La performance des codages
3.4.1 Performance du codage d’Alamouti
3.4.2 Performance du codage STTC (Space Time Treillis Coding)
3.4.2.1 Améliorations apporté par le STTC
3.4.2.2 Performance des codages STTC
3.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
