Soutenance mémoire
Le canal de propagation radio est le milieu incluant l’antenne d’émission et l’antenne de réception dans lequel se propage le signal entre l’émetteur et le récepteur. Il peut être caractérisé par l’atténuation, le retard et la distorsion subis par chaque trajet émis .
Une étape fondamentale dans la conception des architectures d’émetteurs récepteurs est l’étude du canal de propagation et de ses caractéristiques. Les besoins de débits élevés nécessitent une connaissance précise du canal de propagation, des caractéristiques de la bande de fréquence et de l’environnement. La puissance reçue dépend de plusieurs facteurs : des facteurs dépendant de l’architecture tels que les gains des antennes d’émission et de réception, la distance entre l’émetteur et le récepteur, et des facteurs dépendant de l’environnement tels que les phénomènes de multi trajets, les affaiblissements (Path Loss) et de la marge de liaison (shadowing). Généralement, le canal radio peut être modélisé par un modèle mathématique qui, se basant sur les caractéristiques physiques de l’environnement, permet de simuler les phénomènes de propagation. Des campagnes de mesures ont été menées, dans le cadre de la standardisation de la bande de 60 GHz, par des laboratoires de recherche et des industriels dans le monde entier et ont permis de définir et de mesurer les paramètres des modèles de propagation à 60 GHz avec différents scénarii selon le type d’environnement, les distances et les antennes utilisées à l’émission et à la réception.
Modélisation statistique du canal de propagation à 60 GHz
La modélisation du canal de 60GHz (indoor) est basée sur le modèle statistique de Saleh-Valenzuela(S-V) [1] qui est assez utilisé dans le domaine des télécommunications. Ce modèle se base sur le principe des « clusters » et de la notion d’angle d’arrivée AOA (angle of arrival).
Le modèle de Saleh-Valenzuela (S-V)
Le modèle Saleh Valenzuela (SV) est l’un des modèles statistiques les plus utilisés dans le domaine des communications « indoor » et en particulier avec le standard IEEE 802.15 [2]. Il s’agit d’un modèle statistique ultra large bande qui considère que les composants multitrajets du signal émis arrivent au niveau du récepteur dans des groupes appelés « clusters ». De ce fait, un « cluster » peut être assimilé à un ensemble de rayons de caractéristiques voisines. Les « clusters » sont caractérisés par une décroissance exponentielle de la puissance (linaire pour une représentation en dB) .
Le modèle de SV ne dépend que du paramètre temps d’arrivé TOA, (Time Of Arrival), et ne tient pas compte de la notion d’angle d’arrivée (AOA).
Modèle de propagation IEEE 802.15.3c pour les applications très haut débit
Une considération globale de l’émetteur, du récepteur, des avancés technologiques ainsi que du canal de propagation est une étape primordiale pour le dimensionnement des architectures d’émetteurs récepteurs à 60 GHz ainsi que pour l’estimation de leurs performances. C’est ainsi que plusieurs équipes du groupe TG3c se sont penchées sur la modélisation du canal de propagation, sur la définition des types d’environnements indoor et des applications possibles afin de définir un cahier de charges assez complet pour les solutions proposées dans cette bande de fréquence.
Le groupe de travail TG3c a pu spécifier neuf types de modèles de canaux à 60 GHz en fonction de l’environnement et du scénario choisis (LOS, Lignt Of Sight / NLOS, Non Light Of Sight) .
Les différents environnements du standard IEEE 802.15.3c
Les environnements pris en considération dans notre étude sont :
Environnement résidentiel
Il s’agit du premier type d’environnement « indoor » auquel seront correspondent un grand nombre d’applications quotidiennes. Ce type d’environnement peut être caractérisé ou modélisé par des maisons typiques avec des chambres sans accessoires, avec les murs, les planchers et les plafonds en bois ou en ciment, avec des fenêtres en verre et avec des portes en bois.
Les campagnes de mesures pour ce cas, ont été réalisées par NICT : National Institute of Information and Communications Technology, Japon, sous les conditions suivantes : une antenne avec une polarisation verticale, une hauteur de 1.1m et une distance (Tx-Rx) de 3m [8].
Environnement bureau
Le deuxième type d’environnement étudié est l’environnement Office (bureau typique) caractérisé par des murs métalliques, des fenêtres en verre, des armoires, un sol recouvert de moquette et des fournitures de type chaises en métal, ordinateurs, LCD, TV, livres. Les mesures ont été faites par NICT, sous les conditions suivantes : une antenne avec une polarisation verticale, une hauteur de 1.1m et une distance (Tx-Rx) de10m .
Environnement « Desktop »
Ce cas caractérise un environnement plus réduit en taille et en dimensions modélisant un espace de travail personnel avec un encombrement de type bureau, un ordinateur et des éléments de travail [10].
Paramétrage des modèles
Ces campagnes de mesures ont donc permis de définir et mesurer les paramètres des modèles de propagation à 60 GHz avec différents scénarii selon le type d’environnement, les distances émetteur-récepteur et les antennes utilisées à l’émission et à la réception. Un programme Matlab à été élaboré par H. Harada [11], dans le cadre des travaux du groupe de standardisation IEEE 802.15.3c. Ce programme permet de générer des réponses impulsionnelles de canaux en fonction des scénarios choisis et selon des grandeurs définies en fonction les besoins (telle que la distance émetteur–récepteur, les ouvertures des antennes et donc leurs gains) .
Simulations des modèles de canaux IEEE 802.15.3c dans les différents environnements
Le programme Matlab, développés par Hiroshi Harada, Ryuhei Funada, Hirokazu Sawada et Shuzo Kato en janvier 2007, permet de choisir entre trois options :
– générer une réponse impulsionnelle du canal sans prendre en compte l’effet des antennes.
– générer une réponse impulsionnelle du canal avec prise en compte de l’effet des antennes.
Les antennes considérées ici sont des antennes cornets utilisées lors des campagnes de mesures avec différentes ouvertures possibles.
L’influence des différents paramètres comme la distance émetteur-récepteur et les gains des antennes apparait clairement sur le tableau précédent. On constate que pour l’environnement résidentiel LOS par exemple, avec une antenne ayant un compromis gain-ouverture angulaire, on obtient un canal formé d’un seul trajet direct, ce qui engendre un étalement temporel de canal quasi nul pour des distances de l’ordre de quelques mètres. Cependant pour le cas bureau LOS, l’apparition de trajets dus à la réflexion est remarquée à partir d’une distance de 2 m. Le cas « Office » prend plus en considération les effets de réflexion sur les murs et sur les objets métalliques de l’environnement entourant l’émetteur et le récepteur, d’où l’apparition d’un 2ème trajet à partir d’une distance de 2 m.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. La bande millimétrique : caractéristiques spectrales et réglementation
I.1. Potentialité des communications radio sans fil ultra large bande en bande millimétrique
I.1.1. L’évolution des systèmes de communications radio
I.1.2. Intérêt des communications UWB (en basses fréquences et en bandes millimétriques)
I.1.2.1. L’UWB dans la bande [3-10 GHz]
I.1.2.1.1. Réglementation aux Etats-Unis
I.1.2.1.2. Réglementation en Europe
I.1.2.2 Caractéristiques de la bande de fréquence autour de 60 GHz
I.1.2.2.1. Pourquoi a-t-on recours à la bande millimétrique ?
I .1.2.2.2. L’absorption de l’oxygène
I .1.2.2.3. Atténuation des pluies
I .1.2.2.4. Atténuation importante en espace libre à 60 GHz
I.1.3. Conclusion
I.2. Standardisation et normes à 60 GHz : IEEE 802.15.3c et IEEE 802.11.ad
I.2.1.Réglementation dans le monde
I.2.1.1. Réglementation et spécifications en Europe
I.2.1.2. Réglementation et spécifications aux USA / Canada
I.2.1.3. Réglementation et spécifications en Asie
I.2.2. Le standard IEEE 802.15.3c
I.2.3. La norme -ECMA TC48
I.2.4. L’alliance WirelessHD
I.2.5. L’alliance WiGig
I.2.6. Le standard IEEE 802.11.ad
Bibliographie Chapitre I
Chapitre II. Etude du canal de propagation indoor à 60 GHz
II. 1. Introduction
II.2. Modélisation statistique du canal de propagation à 60 GHz
II.2.1. Le modèle de Saleh-Valenzuela (S-V)
II.2.2. Le modèle de Triple S (Shoji-Sawada-Saleh-Valenzuela) (TSV)
II.3. Modèle de propagation IEEE 802.15.3c pour les applications très haut débit
II.3.1. Les différents environnements du standard IEEE 802.15.3c
II.3.1.1. Environnement résidentiel
II.3.1.2. Environnement bureau
II.3.1.3. Environnement « Desktop »
II.3.1.4. Environnement « Kiosque »
II.3.1.5. Environnement bibliothèque
II.3.2. Paramétrage des modèles
II.3.3. Simulations des modèles de canaux IEEE 802.15.3c dans les différents environnements
II.3.4. Etude statistique et comparaison entre les paramètres temporels des différentes configurations
II.4. Le modèle de propagation IEEE 802.11.ad pour les applications très haut débit
II.4.1. Les différents environnements du standard IEEE 802.11.ad
II.4.1.1. Environnement « conférence room »
II.4.1.2. L’environnement « Living room »
II.4.1.3. L’environnement « Entreprise Cubicle »
II.4.2. Influence de l’angle d’ouverture des antennes dans le canal de propagation
II.4.3. Influence de la distance, et de la polarisation des antennes dans les caractéristiques du canal de propagation à 60 GHz (IEEE 802.11.ad)
II.4.4. Influence du « beamforming » dans les caractéristiques du canal de propagation à 60 GHz (IEEE 802.11.ad)
II.5. Conclusion et analyse comparative
II.5.1. Comparaison entre les modèles de canaux du standard IEEE 802.15.3c et le nouveau standard IEEE 802.11.ad
II.6. Conclusion générale
Liste des publications pour le chapitre II
Bibliographie Chapitre II
Chapitre III. Architectures d’émetteurs-récepteurs pour des systèmes communicants nomades à haut débit fonctionnant autour de 60 GHz
III.1. Objectif à atteindre pour les architectures nomades
III.2. Etat de l’art des solutions proposées en bande millimétrique
III.2. 1.Solutions utilisant une modulation multi porteuse OFDM
III.2. 1. 1. La modulation OFDM
III.2. 1. 2. Couche physique pour l’OFDM à 60GHz
III.2. 2. Solutions utilisant une modulation de type QPSK, BPSK
III.2. 3.Solutions utilisant une modulation ASK, Amplitude Shift Keying
III.3. Approche multi bande impulsionnelle en bande millimétrique
III.4. Potentialités de l’approche multi bandes impulsionnelle par rapport à une approche impulsionnelle classique
III.5. Présentation de la solution multi bande impulsionnelle
III.5.1. L’architecture de l’émetteur
III.5.2. L’architecture du récepteur
III.5.3. Estimation des performances de la solution proposée
III.5.4. Les évolutions possibles de l’architecture de l’émetteur
III.5.4.1. De point de vue de l’amplification
III.5.4.1.1. 1ère version : un seul étage d’amplification
III.5.4.1.2. 2ème version : Un amplificateur pour chaque sous bande
III.5.4.2. De point de vue commutation
III.5.4.2.1. 1ère configuration
III.5.4.2.2. 2ème configuration
III.5.4.3. De point de vue générateur d’impulsions
III.5. L’impulsion : un critère important pour l’estimation des débits
III.5.1. Le générateur d’impulsions
III.5.1.1 État de l’art des générateurs impulsionnels en bande millimétrique
III.5.1.1.a. Solution présentée par une équipe de l’université de Taiwan
III.5.1.1.b. Solution présentée par une équipe de l’université de Tokyo (School of Frontier Sciences and School of Engineering)
III.5.1.1.c. Solution développée par Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, IEMN, Lille, France
III.5.2. Spécifications fonctionnelles pour le générateur dans l’architecture MBOOK
III.5.3. Comparaison des différentes approches pour le générateur d’impulsions
III.6. L’approche non cohérente du récepteur
III.7. Conclusion
Liste des publications pour le chapitre III
Bibliographie chapitre III
Conclusion générale
