Soutenance mémoire
Il est clair que plus les technologies évoluent, plus les applications d’utilisation augmentent. Le domaine des systèmes de télécommunication sans fil n’échappe pas moins à ce fait ; d’autant plus que ce domaine « Wireless » constitue l’une des technologies les plus en vogue actuellement. En effet, il va sans dire que le Wireless a séduit les utilisateurs, aussi bien dans le domaine des applications civiles que militaires puisqu’il leur permet de s’émanciper des contraintes filaires.
Cette augmentation des applications conduit à la raréfaction progressive des ressources, à savoir les ressources fréquentielles. En effet, le problème se traduit comme suit : d’une part, les applications de radio communications commencent à saturer le domaine fréquentiel des Hz jusqu’aux GHz. D’autre part, pour aller au-delà du domaine des GHz, une technologie matérielle complexe et extrêmement coûteuse, est requise (finesse de gravure élevée des circuits intégrés, miniaturisation des transistors (jonctions PN) jusqu’à l’ordre des pm). De part cette raréfaction, une recherche constante de solutions se manifeste dans le domaine Wireless. Une des solutions qui se présente consiste à réutiliser les fréquences déjà attribuées à des technologies déjà standardisées, même si cette réutilisation fréquentielle est, à première vue, susceptible de causer des problèmes d’interférence. Dans ce cadre, la solution la plus prometteuse est la technologie Ultra Large Bande (UWB).
GENERALITES SUR LA TECHNOLOGIE ULTRA LARGE BANDE (UWB)
Historique de la technologie UWB
L’ère moderne de la technologie Ultra Large Bande (UWB) a commencé dans les années 60 par les travaux en électromagnétisme dans le domaine temporel qui ont été menés par Harmuth à l’université Catholic University of America, par Ross et Robins à la société Sperry Rand, et par Van Etten à l’United States Air Force (USAF) [01] [02]. Durant la même période, les ingénieurs aux laboratoires Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et Los Alamos National Laboratory (LANL) ont commencé des travaux de recherche sur les émetteurs, les récepteurs et les antennes en mode impulsionnel.
Une percée importante des communications UWB s’est produite et a eu comme conséquence le développement d’oscilloscopes rapides par Tektronix et Hewlett Packard dans les années 60. Ces circuits d’échantillonnage ne fournissaient pas seulement une méthode d’affichage et d’intégration de signaux UWB, mais offraient aussi des circuits simples nécessaires à la génération d’impulsions en bande de base. Vers la fin des années 60, Cook et Bernfeld ont publié leurs recherches résumant les développements de la société Sperry Rand dans la compression en mode impulsionnel, le filtrage et les techniques de corrélation. L’invention d’un récepteur en mode impulsionnel en bande de base par Robbins en 1972 pour remplacer l’oscilloscope rapide, a conduit au premier brevet d’un système de communications UWB conçu par Ross à la société Sperry Rand. En parallèle aux développements aux Etats-Unis, des recherches sur l’UWB ont été menées dans l’ex-Union Soviétique. En 1957 Astanin a développé un transmetteur dans la bande X de 0,5 ns de durée pour une étude de guide d’ondes à l’académie Mazjaiski Military Air Force. En même temps, Kobzarev menait des tests sur les radars UWB à l’institut radio électronique de l’académie des sciences de l’USSR. Comme aux Etats-Unis, le développement a été accéléré par l’arrivée des oscilloscopes rapides.
Au début des années 70, la conception de base des systèmes de communications et de radar UWB a évolué avec l’avancement technologique des composants électroniques. Le premier radar de sol fondé sur la technologie UWB a été commercialisé en 1974 par Morey à la société Geophysical Survey Systems Corporation. En 1994, McEwan a développé au LLNL un radar Micropower Impulse Radar (MIR) qui a fourni, pour la première fois, un système UWB compact, à faible coût et à faible consommation. Vers 1989, le Department Of Defense (DOD), aux Etats Unis, a créé la nomenclature « Ultra Large Bande » pour décrire toute communication via la transmission et la réception d’impulsions. Le gouvernement américain a été et continue d’être un appui important pour la recherche en communications UWB. L’effort fourni par la Federal Communications Commission (FCC) afin d’autoriser l’utilisation des systèmes UWB a stimulé un grand intérêt pour la technologie UWB, mais aussi de sérieuses réserves, voire une opposition déterminée de la part des opérateurs historiques et de plusieurs services (aviation, GPS, radioastronomie,…). En réponse à l’incertitude sur la façon dont les systèmes UWB et les services existants pourraient coexister, plusieurs études d’interférences UWB ont été financées par le gouvernement des Etats-Unis.
En 1993, Robert Scholtz à l’Université de la Caroline du Sud (USC) a publié un article présentant la technique d’accès multiple pour les systèmes de communications UWB. Avec un schéma viable d’accès multiple, l’UWB est devenue adaptée non seulement à des communications point à point et à des applications radar, mais aussi à des réseaux sans fils.
Avec l’arrivée et la percée de la technologie UWB en tant que candidat potentiel pour les réseaux sans fil, plusieurs chercheurs ont commencé des études détaillées sur la propagation dans le contexte UWB, vers la fin des années 90 et au début des années 2000. Ces études de propagation et les modèles de canal de propagation développés à partir des résultats de mesures, ont fait l’objet de nombreuses publications notamment par Cassioli, Win, Scholtz, Foerster, et Molisch. De plus, dans le cadre du projet Networking in Extreme Environments (NETEX), des études détaillées sur la modélisation de la propagation UWB intérieure / extérieure, sur la caractérisation des matériaux de construction en réponse aux impulsions UWB ainsi que sur la caractérisation de la réponse des antennes aux signaux UWB, ont été menées.
Récemment, il y a eu un développement rapide du nombre des compagnies et des agences gouvernementales impliquées dans la technologie UWB, passant d’une poignée dans les années 90 comprenant les entreprises Multispectral Solutions, Time Domain, Aether Wire, Fantasma Networks, LLNL et d’autres, à la pléthore de sociétés aujourd’hui. La FCC, la National Telecommunication and Information Administration (NTIA), la Federal Aviation Administration (FAA), et la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), ainsi que les compagnies nommées précédemment, ont passé plusieurs années à étudier l’effet des émissions UWB sur les systèmes à bande étroite existants. Les résultats de ces études ont été utilisés afin d’informer la FCC sur les règles d’utilisation des systèmes UWB. En 2003, le premier système commercial certifié FCC a été installé, et en avril 2003 les premiers circuits UWB conformes avec les recommandations de la FCC ont été annoncés par la société Time Domain.
Définition de la technologie UWB
La technologie UWB est une technique de transmission radio qui consiste à utiliser des signaux dont le spectre s’étale sur une large bande de fréquences. On présentera par la suite la définition exacte d’un signal UWB [01] [02] [03] [04]. Cette technologie fut d’abord utilisée pour des applications radars puis transposée aux applications de télécommunications, suscitant ainsi un intérêt grandissant au sein de la communauté académique et industrielle.
La FCC, organisme de réglementation américaine en matière de télécommunication, est responsable du découpage du spectre en plusieurs bandes de fréquences qui seront attribuées aux différents services. Cet organisme a efficacement proscrit et relégué l’UWB à un travail purement expérimental durant une longue période. Pendant la dernière décennie, plusieurs sociétés ont réclamé à la FCC l’autorisation d’utiliser des systèmes UWB non licenciés concurrents avec des signaux à bande étroite. En 2002, la FCC a décidé de changer les règles afin de permettre aux systèmes UWB d’opérer sur une large bande de fréquences. En février 2002, la FCC a publié les règles générales de la technologie UWB qui ont fixé les limitations sur le rayonnement en UWB et, a aussi autorisé la commercialisation de la technologie. Le rapport final de la FCC (First Report and Order) était rendu public au mois d’avril 2002. Ce document a introduit quatre catégories différentes d’applications UWB autorisées et a établi des masques de puissance pour ces applications.
Pour définir un signal UWB, la FCC a proposé la définition ci-après, qui est d’ailleurs la définition retenue par les organismes de régulation de télécommunication jusqu’à présent. Considérons les variables suivantes :
● LM la fréquence de coupure maximale du signal à une atténuation de -10 dB
● LN la fréquence de coupure minimale du signal à une atténuation de -10 dB
● LO la fréquence centrale du signal
● P la largeur de bande occupée par le signal à une atténuation de -10 dB
● PQ la largeur de bande fractionnaire du signal .
Règlementation de la technologie UWB
La technologie UWB typique pourrait utiliser une partie du spectre fréquentiel déjà allouée à des services radio opérationnels [01] [03] [05] [06]. Par conséquent, les dispositifs radio UWB, malgré leur niveau de puissance émise qui est extrêmement faible, pourraient être une source potentielle d’interférence avec les services radio actuels, et doivent donc prouver leur capacité de coexistence avec les autres services radio. Dans ce paragraphe, on présente une description des travaux en cours sur la réglementation et la standardisation de la technologie UWB, qui ont pour but d’élaborer des moyens efficaces pour gérer le spectre fréquentiel, fondés sur des mécanismes de coexistence à la place des mécanismes conventionnels de partage fréquentiel .
Un des problèmes les plus importants dans les communications UWB est la bande de fréquence utilisée. Du fait de l’utilisation d’un très large spectre fréquentiel, les systèmes UWB devraient fonctionner hors licence. Plusieurs systèmes, opérant dans des bandes incluses dans la bande du signal UWB, existent. Certaines compagnies aux Etats-Unis ont établi un groupe de travail pour négocier avec la FCC afin d’enlever les restrictions qui ont été imposées sur les applications utilisant la technologie UWB. D’autres entreprises et organisations aux Etats-Unis sont en train d’examiner des solutions pouvant protéger les systèmes à bande étroite existants des interférences possibles générées dans les systèmes UWB. Des discussions sur l’allocation de fréquence et la protection des systèmes radio existants sont aussi constatées en Europe.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LA TECHNOLOGIE ULTRA LARGE BANDE (UWB)
1.1 Introduction
1.2 Historique de la technologie UWB
1.3 Définition de la technologie UWB
1.4 Caractéristiques de la technologie UWB
1.5 Règlementation de la technologie UWB
1.5.1 Règlementation aux Etats Unis – Masques FCC
1.5.2 Règlementation en Europe – Masques ETSI
1.6 Synthèse et applications de la technologie UWB
1.6.1 Synthèse sur la technologie UWB
1.6.2 Applications de la technologie UWB
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 TECHNOLOGIE UWB-IR ET EMISSION D’UN SIGNAL UWB-IR
2.1 Introduction
2.2 Définition de la technologie UWB-IR
2.2.1 Définition
2.2.2 Avantages
2.2.3 Inconvénients
2.3 Impulsions UWB
2.3.1 Impulsions gaussiennes élémentaires
2.3.2 Impulsion à sinusoïdes
2.3.3 Remarques
2.4 Modulations utilisées en UWB-IR
2.4.1 Modulation par position de l’impulsion (PPM)
2.4.2 Modulation à deux états de phases (BPSK)
2.4.3 Modulation « Tout ou Rien » (OOK)
2.4.4 Remarques
2.4.5 Densité spectrale de puissance du signal UWB-IR modulé
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 CANAL DE PROPAGATION UWB
3.1 Introduction
3.2 Définitions
3.3 Propagation multi trajets
3.3.1 Réflexion
3.3.2 Diffraction
3.3.3 Réfraction
3.4 Contraintes de propagation radio
3.4.1 Pathloss
3.4.2 Shadowing
3.4.3 Fading
3.5 Modélisation du canal de propagation UWB
3.5.1 Modèle Saleh – Valenzuela
3.5.1.2 Réponse impulsionnelle
3.5.1.2 Instants d’arrivée des clusters et des trajets
3.5.1.3 Amplitudes des clusters et des trajets
3.5.2 Modèle IEEE 802.15.3a
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 RECEPTION D’UN SIGNAL UWB-IR
4.1 Introduction
4.2 Détection d’énergie ou incohérente
4.2.1 Définition et principe de fonctionnement
4.2.2 Modèle mathématique
4.2.3 Evaluation de l’erreur de réception
4.2.4 Simulations
4.2.4.1 Signal UWB-IR reçu
4.2.4.2 Densité spectrale de puissance à la réception
4.2.4.3 Probabilité d’erreur
4.2.5 Avantages et inconvénients
4.2.5.1 Avantages
4.2.5.2 Inconvénients
4.3 Détection cohérente
4.3.1 Définition et principe de fonctionnement
4.3.1.1 Approche globale d’un récepteur à détection cohérente
4.3.1.2 Approche optimale d’un récepteur à détection cohérente
4.3.2 Modèle mathématique
4.3.2.1 Notation
4.3.2.2 Signal reçu
4.3.2.3 Impulsions de référence (ou templates)
4.3.2.4 Résultat de la corrélation
4.2.3.5 Décision
4.2.3.6 Remarques
CONCLUSION GENERALE
