Soutenance mémoire
En l’espace de quelques années, les systèmes de télécommunication sans fils sont devenues omniprésents et ont bouleversé notre vie quotidienne. En sus des téléphones portables qui équipent plus de 85 % de la population française [CRÉD 10], nous nous entourons d’une pléthore de systèmes communicants, tels les points d’accès Wifi, les systèmes d’alarmes sans fils, les imprimantes bluetooth, les réseaux de capteurs, les navigateurs GPS, et caetera. Cette explosion des services sans fils provoque des interférences croissantes affectant la qualité des transmissions. Ainsi, malgré l’ouverture de nouvelles bandes de fréquences – le dividende numérique –, la question de l’accès concurrent au médium est plus que jamais d’actualité.
De nombreuses techniques d’accès multiple ont été élaborées ces dernières décennies pour mieux partager l’accès au médium de communication. Ont succédé aux méthodes de multiplexage en temps, et en fréquence (avec des bandes de garde), les techniques d’accès multiple par code CDMA et d’accès multiple en fréquences orthogonales OFDMA. Ces dernières constituent aujourd’hui les pierres angulaires des dernières générations de téléphonie mobile 3G et 4G. Toutefois, même ces techniques suivent des schémas d’allocation cycliques, sinon fixes durant la transmission, et n’empêchent pas la survenue d’interférences – notamment au cours de la phase d’établissement de la connexion. De plus, une grande majorité du spectre est scindée en des sous-bandes allouées à des opérateurs uniques. Ainsi, certaines bandes sont inaccessibles, bien que libres, alors que d’autres sont ouvertes, mais surchargées. En un mot, le spectre est sous-utilisé [FCC 02, Stap 04].
Pour contrer ce phénomène, deux nouveaux paradigmes ont émergé durant cette dernière décennie : la radio à bande ultra large (ou, Ultra Wide Band, UWB), et la radio cognitive. Le principe de l’UWB repose sur la coexistence de tous les utilisateurs à travers des communications à très basse densité de puissance sur de très larges bandes. Le concept, simple, n’a pas encore été largement adopté à cause de la portée limitée des transmissions. La radio cognitive, elle, se base sur la connaissance de l’environnement du système communicant. Des techniques d’estimation du spectre et de coopération avec les systèmes voisins ont ainsi été mises au point dans le but d’éviter toute sous-utilisation du spectre [Cabr 06]. Il s’agit de concevoir des formes d’ondes sur mesure, de telle sorte que le système soit capable de s’adapter au spectre environnant ; cela constitue la problématique de cette thèse.
Pour générer des formes d’ondes ad hoc aptes à communiquer, le système de transmission choisi est Transform Domain Communication System (TDCS) ; ce dernier est issu du monde de la radio cognitive et a été étudié pendant de nombreuses années par l’Air Force Institute of Technology (AFIT). Leurs recherches ont contribué à la promotion du système TDCS et ont entrouvert des perspectives intéressantes que nous avons décidé d’explorer. Nos travaux se sont structurés autour de deux axes principaux : l’étude et l’amélioration de l’efficacité spectrale, d’une part, et de l’efficacité énergétique du système, d’autre part.
Contexte scientifique et industriel
Le cadre industriel
Initiée en décembre 2008, cette thèse CIFRE a bénéficié du soutien de la société Axess Europe S.A.S sur un plan tant financier que technique, avec notamment l’encadrement du docteur Ahmed Zoubir. Sur un plan académique, c’est d’abord le LATTIS (Laboratoire Toulousain de Technologie et d’Ingénierie des Systèmes), puis le LAAS en janvier 2011 (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes), qui a hébergé cette thèse, avec l’encadrement constant des professeurs Danièle Fournier-Prunaret (INSA Toulouse) et Pascal Chargé (INSA Toulouse, puis Polytech Nantes). Cet encadrement bicéphale a permis d’aborder des pistes de recherche très théoriques, tout en gardant une perspective applicative forte, ce qui a rendu possible la résolution de problèmes techniques précis à l’aide de notions et d’algorithmes issus de l’algèbre linéaire.
Avant d’entrer dans les détails scientifiques de ces travaux, la section suivante présentera la société ainsi que son principal projet de recherche et développement (R&D), composantes intégrantes du contexte scientifique de cette thèse.
Présentation de la société Axess Europe
Créée en 1999, Axess Europe S.A. est une entreprise spécialisée dans les infrastructures techniques pour les applications (Application Service Provider ) du secteur financier. Experte dans les marchés de niche, l’entreprise a décidé de tirer parti du savoir-faire acquis dans son métier de base pour développer un service d’accès IP haut débit à faible coût pour l’aviation de ligne et d’affaires. Une filiale toulousaine a ainsi été fondée pour mener les activités de recherche et développement du groupe : Axess Europe S.A.S, qui finance cette thèse CIFRE. L’entreprise emploie actuellement, à temps plein, dix-huit personnes dont le domaine de compétences s’étend de la conception et la caractérisation d’un élément rayonnant, à la conception et à l’implémentation de codes correcteurs d’erreurs. Le bureau d’étude bénéficie aussi d’une expertise forte dans la conception de circuits intégrés radio-fréquence (RF) et dans les algorithmes de formation de voies, indispensables à leur contrôle. Possédant une connaissance complète de tous les domaines-clefs d’un système de télécommunication, Axess Europe est à même de développer un produit de pointe, et dresse ainsi des barrières technologiques fortes pour restreindre l’accès au marché à tout concurrent potentiel. Le premier équipement de télécommunication conçu par la société s’élabore à travers un projet collaboratif, FAST, que nous introduisons ci-après.
Un projet de R&D précurseur : FAST
Présentation du projet. Le projet d’antenne aéroportée FAST (Fiber-like Aircraft SaTellite communications) a pour but de fournir à l’aviation de ligne et d’affaires un accès haut-débit à faible coût. Ce projet est mené par un consortium composé de partenaires académiques et industriels de haut rang, tels qu’Astrium, le LAAS, ou encore Télécom Bretagne. À la direction de ce projet, Axess Europe catalyse le savoir-faire et l’expertise de chacun pour établir un écosystème complet.
L’innovation du projet FAST porte principalement sur l’antenne assurant la liaison satellite aéronautique. Composée de plusieurs centaines d’éléments rayonnants formant un réseau d’antennes, celle-ci bénéficie d’une hauteur extrêmement faible (fig. 1.2), ce qui présente plusieurs avantages : d’une part, la traînée aéronautique est réduite – limitant ainsi la surconsommation en kérosène –, d’autre part, elle est capable de diriger un faisceau extrêmement concentré en direction du satellite utile, et de le suivre quelle que soit la position et l’orientation de l’avion. De plus, grâce à son fort gain, une transmission haut-débit est désormais accessible. Enfin, dépourvue de tout élément mobile, cette antenne à pointage électronique s’avère particulièrement robuste, critère essentiel dans l’environnement exigeant qu’est le milieu aéronautique.
Un projet, plusieurs applications. Une solution de communication aéroportée par satellite ouvre nécessairement la porte à une grande variété d’applications, telles que :
– un accès internet haut-débit pour les passagers;
– une connexion servant de support à des plateformes médicales aéroportées;
– un accès fiable et sécurisé pour des communications militaires et gouvernementales. Parmi ces trois types d’applications, les deux dernières imposent une communication particulièrement robuste aux imperfections du canal et suggèrent aussi un impératif de discrétion. C’est sur ces aspects-là que la société Axess Europe a voulu orienter mon travail de thèse.
Ainsi, sans avoir l’ambition de réaliser un système de communication complet, l’objectif de la thèse était de proposer des choix de modulation et de forme d’onde à même de satisfaire aux exigences requises, détaillées dans le cahier des charges ci-après.
Cahier des charges à respecter
Les spécifications qu’un système de communication doit assurer sont essentiellement dictées par deux contraintes fortes : les desiderata de l’utilisateur et le canal de transmission. Dans cette section, nous proposons d’introduire ces contraintes et les critères de conception qu’ils impliquent sur le choix de la forme d’onde et de la modulation.
Besoins utilisateur
Adaptation aux interférences. Que ce soit pour des systèmes commerciaux subissant la concurrence spectrale d’autres utilisateurs, ou pour des communications militaires cibles de brouilleurs, nombreuses sont les situations où l’évitement dynamique d’interférences est intéressant. Le paradigme de la radio cognitive [Mito 00], basé sur la conscience de l’environnement de l’émetteur et capable d’adapter en permanence les paramètres de la transmission, correspond tout à fait à ce besoin. C’est un élément important qui a fortement influencé l’orientation de ces travaux de thèse, avec notamment l’étude du système de communication Transform Domain Communication System (TDCS). Discrétion. Pour des raisons à la fois commerciales et techniques, les transmissions par satellite sont émises sur de larges étendues; elles sont dites broadcast. Ainsi, quiconque doté d’un équipement commercial supportant les normes DVB-S ou DVB-S2 peut détecter et intercepter une grande variété de signaux. Il en résulte une contrainte forte pour le système de transmission à concevoir : celui-ci doit éviter les modulations mono et multiporteuses standard pour s’assurer une certaine discrétion. Un débit binaire variable. Pour les applications détaillées dans la section précédente, le débit utile que doit supporter le système de communication peut aller de quelques kilooctets à plusieurs méga-octets par seconde. Le système de communication considéré doit ainsi proposer une forme de modulation adaptative pour proposer une efficacité spectrale variable selon la qualité du canal, le débit nécessaire, et la robustesse de la transmission souhaitée.
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Table des matières
Introduction
I Avant-propos
1 Contexte scientifique et industriel
1.1 Le cadre industriel
1.1.1 Présentation de la société Axess Europe
1.1.2 Un projet de R&D précurseur : FAST
1.2 Cahier des charges à respecter
1.2.1 Besoins utilisateur
1.2.2 Contraintes liées au canal
1.3 Orientations de la thèse
2 Algèbre et télécommunications : rappels théoriques
2.1 Modulations linéaires
2.1.1 Notions élémentaires
2.1.2 L’espace signal
2.1.3 PSK, MOS, OFDM, trois modulations linéaires
2.2 Le problème du PAPR
2.2.1 Description du phénomène
2.2.2 Résultats importants sur le PAPR
II Des formes d’ondes sur mesure pour communiquer : TDCS
3 Présentation du système TDCS
3.1 État de l’art
3.1.1 D’une curiosité théorique à un problème d’actualité
3.1.2 TDCS, encore terra incognita
3.2 Modèle du système
3.2.1 Émetteur TDCS
3.2.2 Récepteur TDCS
3.2.3 Mise en perspective du système TDCS
4 Études des performances de TDCS
4.1 TDCS à travers le prisme des modulations linéaires
4.1.1 Les effets de la dimensionnalité sur l’efficacité spectrale
4.1.2 Représentation de la modulation CSK
4.1.3 De la nécessité d’utiliser toutes les dimensions possibles
4.2 Performances de TDCS en simulation
4.2.1 Paramètres de simulation
4.2.2 Modulation PSK
4.2.3 Modulation CSK
4.3 Améliorer l’efficacité spectrale des systèmes TDCS
4.3.1 Modulation bi-orthogonale
4.3.2 Utilisation combinée de PSK et CSK
4.3.3 Modulation multidimensionnelle à haute densité
4.3.4 Génération de symboles purement orthogonaux
4.4 Conclusions et perspectives
III Accroître l’efficacité en puissance en réduisant le PAPR
5 La théorie ensembliste
5.1 Notions et principes de la théorie ensembliste
5.1.1 L’espace solution
5.1.2 Les ensembles-contrainte
5.1.3 Opérateurs ensemblistes
5.2 Algorithmes fondamentaux
5.2.1 Notions de convergence
5.2.2 Algorithmes séries
5.2.3 Algorithmes parallèles
5.2.4 Algorithme de Douglas-Rachford
5.2.5 Algorithme « Reflection Onto Convex Sets »
5.3 Quand un formalisme en cache un autre
6 STE au service de la réduction du PAPR
6.1 Application du formalisme ensembliste
6.1.1 Espace considéré
6.1.2 Ensembles-contrainte
6.1.3 Opérations ensemblistes
6.1.4 Existence de solutions
6.1.5 Choix de l’algorithme
6.1.6 Conséquences de l’absence de convexité
6.1.7 Mise en œuvre d’un algorithme STE de réduction du PAPR
6.2 Résultats de simulation
6.2.1 Paramètres de simulation
6.2.2 Performances des algorithmes avec un spectre contigu
6.2.3 Performances des algorithmes avec un spectre non contigu
6.3 Conclusions et perspectives
Conclusions
