La bande millimétrique : caractéristiques spectrales et réglementation

Potentialité des communications radio sans fil ultra large bande en bande millimétrique

L’évolution des systèmes de communications radio 

De nos jours, les applications multimédia sans fil sont omni présentes dans notre vie quotidienne. Les besoins de partage de données multimédia avec une très haute résolution, nécessitent des communications assurant des liaisons radio avec des débits dépassant les quelques gigabits par seconde. La saturation des bandes de fréquences entre 1GHz et 20 GHz, les problèmes d’interférences entre standards ainsi que l’ouverture de nouvelles bandes telles que les bandes autour de 60 GHz, 71-76GHz et 81-86 GHz libérées ont favorisé le développement de nouvelles applications radios en bande millimétrique [1]. Ces bandes étaient auparavant destinées à d’autres applications telles que les applications militaires, le radar automobile anti collision, ainsi que l’imagerie micro-onde.

De même, l’évolution des performances et des technologies des composants fonctionnant dans ces bandes de fréquences, l’amélioration des outils et des techniques de conception de circuits, en termes d’intégration et de consommation, ont poussé les chercheurs et les industriels à se pencher sur de nouveaux dispositifs et systèmes. La bande 60 GHz représente donc une solution envisageable pour les systèmes radio et on s’attend à des systèmes offrant de meilleures performances en débit, rapidité et pour unecomplexité moindre [2]. C’est dans ce cadre que des groupes de travail comme les groupes IEEE 802.15.3c, ECMA, le groupe IEEE 802.11.ad ainsi que les alliances WiGig et Wireless HD se sont penchés depuis 2005 sur une norme applicable aux réseaux radio personnels (WPAN) exploitant la bande des 60GHz. L’objectif est de définir une couche physique capable de supporter des débits de quelques Gbps pour une distance de quelques mètres dans la bande 57-64GHz [3].

Intérêt des communications UWB (en basses fréquences et en bandes millimétriques)

L’UWB dans la bande [3-10 GHz]

La technologie Ultra Large Bande ULB (Ultra Wide Band UWB) a été réservée initialement aux applications militaires et aux systèmes radar, mais suite à la réglementation de la bande [3.1-10.6 GHz] par la Federal Comminications Commission (FCC), cette bande a été utilisée pour des applications sans fil haut débits. Le principe de la technologie UWB repose, contrairement aux systèmes bande étroite comme le GSM ou le Bluetooth, sur l’émission de signaux très large bande, par exemple de très courte durée temporelle, comme les impulsions. La réglementation de l’UWB concerne depuis 2002 les systèmes de communications très haut débits ( supérieurs à 100 Mbps ), faibles portées ( quelques mètres ). Les applications visées par le standard IEEE 80.3.15.3a, sont les applications de transfert de fichiers multimédia et le « streaming ». Cependant, le standard IEEE 802.15.4a s’intéresse plutôt aux applications bas débits (inferieurs à 2Mbps) moyennes portées (jusqu’à quelques centaines de mètres [4].

Réglementation aux Etats-Unis
Le rapport concernant la réglementation de l’UWB par la FCC a été publié en février 2002[5]. Les applications concernées sont des applications sans fil « indoor » et des liaisons point à point mobiles en « outdoor ». On y spécifie une bande continue, qui s’étend de 3.1 GHz à 10.6GHz.

Réglementation en Europe
La réglementation en Europe pour l’UWB avait commencé en février 2004 avec la volonté de la commission européenne CE d’harmoniser l’utilisation de cette technologie pour les applications radios sans fils dans l’Union Européenne. Des études ont été menées par ECC, European Communications Committee, [5] et la CEPT, la Conférence Européenne des administrations des Postes et Télécommunications, concernant l’impact des systèmes UWB sur les systèmes de communication sans fil déjà existants, ce qui a permis de fixer les conditions nécessaires pour l’harmonisation du spectre radio et la protection de la majorité des systèmes existants dans la même bande de fréquence avec un masque pour l’émission des signaux UWB en « indoor » et en « outdoor ».

Les limites maximales de la PIRE établies par la CEPT, en mars 2006, sont plus strictes en Europe qu’aux Etats-Unis, comme le montrent les masques fixés par la FCC . La bande située entre 6GHz à 8.5 GHz est donc privilégiée en Europe pour les communications UWB. En revanche, la bande complète, de 3.1 GHz à 10.6 GHz, est celle qui a été retenue aux Etats Unis. Cette bande de 7 GHz permet donc d’allouer plus de canaux et donc d’obtenir plus de débit. Cependant, les contraintes de type niveau de puissance émise (assez faible), les problèmes d’interférences entre utilisateurs, et la coexistence avec les autres standards sont des critères à prendre en considération lors de la conception d’un système UWB.

Caractéristiques de la bande de fréquence autour de 60 GHz

Pourquoi a-t-on recours à la bande millimétrique ?

En observant le spectre radio pour la partie basses fréquences [100MHz -10 GHz], on remarque une concentration d’applications et de normes, ce qui ne laisse qu’une bande libre assez réduite. L’exploitation des bandes de fréquences élevées représente donc une solution très intéressante. D’autre part, afin d’atteindre des débits élevés, il fallait monter en fréquence et cela est devenu possible avec les progrès des technologies et des méthodes de conception permettant de travailler jusqu’à des fréquences de quelques centaines de GHz. La bande de fréquence millimétrique correspond à la partie du spectre électromagnétique caractérisée par des longueurs d’onde de 1 centimètre à 1 millimètre. Actuellement, elle présente un sujet de recherche très intéressant afin de tirer le maximum de profit des avantages de cette bande. D’autre part, étant donné que la portée des systèmes à 60 GHz est très réduite et la puissance autorisée est très faible, l’interférence entre différents utilisateurs de ces systèmes devrait être très faibles.

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
IV. Dimensionnement de l’émetteur et conception de ses principaux éléments
IV.1. Les défis techniques et technologiques de l’émetteur MB-OOK
IV.1.1. L’antenne et l’environnement du système
IV.1.1.1.Etat de l’art des antennes en bande millimétrique
IV.1.1.2. Conception d’une antenne « patch » 60 GHz
IV.1.1.3. Simulations électromagnétique et temporelle de l’antenne
IV.1.1.3.1. Caractérisation fréquentielle de l’antenne
IV.1.1.3.2. Caractérisation temporelle de l’antenne
IV.1.1.4 L’importance d’une approche « co-design » Emetteur / Récepteur / Antennes / Canal
IV.1.2. Le banc de filtre : le défi de l’architecture MB-OOK
IV.1.2.1. Solutions proposées dans la littérature
V.1.2.2.1. Cahier de charges pour la solution de filtrage
V.1.3.2.2. Implémentation et réalisation du filtre à lignes couplées
V.1.3.2.2.1. Technologie TQP15 de Triquint
IV.1.3.2.2.1. Technologie D01PH d’OMMIC
IV.1.4.L’étage de commutation : ses défis et ses limitations
IV.1.4.1. Etat de l’art des commutateurs en bande millimétrique
IV.1.4.2. Approches proposées
IV.1.4.2.1. Utilisation de commutateurs SPST
IV.1.4.2.2. Utilisation de commutateurs SPDT une entrée /deux sorties
IV.1.4.3. Analyse des performances des étages de commutation dans l’architecture
IV.1.5. Les étages de division et de combinaison
IV.1.5. 1. Etage de division
IV.1.5. 2. Etage de combinaison
IV.1.5. 3. L’étage d’amplification
IV.1.5. 3. 1. Solutions proposées dans la littérature
IV.1.5.3. Vers une approche différentielle et ses implications sur les choix de l’architecture
IV.3. Conclusion
Listes des publications pour le chapitre IV
Bibliographie chapitre IV
Conclusion

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