Le canal de propagation radio pour la technologie Ultra Large Bande

Lโ€™Ultra Large Bande, ou Ultra Wide Band (UWB), est une technique de transmission radioรฉlectrique qui consiste ร  utiliser des signaux sโ€™รฉtalant sur une large bande de frรฉquences, typiquement de lโ€™ordre de 500 MHz ร  plusieurs GHz. Dโ€™abord utilisรฉe dans le domaine de la localisation radar, cette technologie est appliquรฉe depuis une dizaine dโ€™annรฉes ร  la communication sans fil, suscitant un intรฉrรชt grandissant au sein de la communautรฉ scientifique et industrielle. Les caractรฉristiques propres ร  la technologie UWB, comme son large support spectral et son fort pouvoir de rรฉsolution temporelle, permettent en effet de proposer des systรจmes de communication ร  trรจs haut dรฉbit, jusquโ€™ร  plusieurs centaines de Mbit/s. Dรจs 2002, lโ€™autoritรฉ de rรฉgulation amรฉricaine Federal Communications Commission (FCC) a autorisรฉ lโ€™รฉmission de signaux UWB dans la bande 3,1 GHz – 10,6 GHz, encourageant les efforts de recherche dans ce domaine. En Europe et en Asie, la dรฉfinition de masques dโ€™รฉmission similaires est en cours. Dans le contexte actuel de forte demande pour des application multimรฉdia sans fil, lโ€™UWB semble donc une solution innovante et attractive pour les futurs systรจmes de communication radio. Aujourdโ€™hui, dโ€™importants groupes industriels, comme UWB Forum et Multi-Band OFDM Alliance sโ€™engagent dans la conception dโ€™รฉquipements basรฉs sur la technologie UWB et dรฉbattent des solutions techniques ร  adopter en normalisation.

Afin de dรฉvelopper de tels systรจmes, une parfaite connaissance des propriรฉtรฉs du canal radio est nรฉcessaire. Les performances dโ€™un systรจme de transmission sans fil sont en effet directement liรฉes aux conditions de propagation entre lโ€™รฉmetteur et le rรฉcepteur. Ceux-ci doivent donc รชtre dimensionnรฉs pour tirer le meilleur parti des caractรฉristiques du canal et attรฉnuer ses effets nรฉgatifs. Ainsi, la modรฉlisation des pertes en puissance par propagation permet dโ€™estimer la couverture du systรจme radio, tandis que des simulations de lien permettent dโ€™รฉvaluer la robustesse de la communication. De par la largeur de son support spectral, le canal de propagation UWB est intrinsรจquement diffรฉrent des canaux large bande traditionnels. Son รฉtude prรฉcise est donc requise pour รฉvaluer tout le potentiel et les contraintes des systรจmes de communication UWB.

Le canal de propagation radio pour la technologie Ultra Large Bande

Face ร  la demande croissante pour les applications multimรฉdia sans fil, le monde des tรฉlรฉcommunications doit rรฉpondre aujourdโ€™hui ร  un rรฉel besoin pour les systรจmes radio ร  trรจs haut dรฉbit [Pezzin 03]. Parmi les rรฉcentes innovations dans ce domaine, la communautรฉ scientifique sโ€™intรฉresse particuliรจrement ร  lโ€™Ultra Large Bande, ou Ultra Wide Band (UWB), qui consiste ร  utiliser des bandes de frรฉquences de lโ€™ordre de 500 MHz ร  plusieurs GHz [Yang 04]. Cet important รฉtalement frรฉquentiel confรจre ร  lโ€™UWB des caractรฉristiques uniques, comme son fort pouvoir de rรฉsolution temporelle et sa faible densitรฉ spectrale de puissance. Lโ€™UWB se prรฉsente donc comme une technologie attractive pour les systรจmes de localisation et de communication radio ร  courte portรฉe et haut dรฉbit.ย  Le dรฉveloppement dโ€™un systรจme de communication nรฉcessite une parfaite connaissance de son milieu de transmission. Pour les systรจmes radio, les architectures de lโ€™รฉmetteur et du rรฉcepteur doivent รชtre dimensionnรฉes en fonction des propriรฉtรฉs du canal de propagation. Ce dernier doit donc รชtre caractรฉrisรฉ dans les environnements oรน le systรจme sera dรฉployรฉ. Dans la pratique, on propose des modรจles de canal, qui permettent la simulation du lien radio et la mise au point du systรจme de communication.

La technologie Ultra Large Bande

Introduction : quโ€™est-ce que lโ€™UWB ?

Dรฉfinition
Lโ€™Ultra Large Bande, ou UWB, est un terme gรฉnรฉrique utilisรฉ pour reprรฉsenter une technique dโ€™accรจs radio qui a รฉtรฉ รฉtudiรฉe sous diffรฉrentes appellations. On peut citer les termes impulse radio (radio impulsionnelle), carrier-free radio (radio sans-porteuse), baseband radio (radio en bande de base), time domain radio (radio du domaine temporel), nonsinusoid radio (radio non-sinusoรฏdale), orthogonal function radio (radio ร  fonction orthogonale), et large relative bandwidth radio (radio ร  grande largeur de bande relative) [Barrett 00].

Lโ€™autoritรฉ de rรฉgulation amรฉricaine FCC รฉtend cette dรฉfinition ร  une catรฉgorie plus large de signaux, en incluant les signaux dont la largeur de bande relative Bf,10 dB est supรฉrieure ร  20 % ou prรฉsentant une bande de frรฉquences supรฉrieure ร  500 MHz [FCC 02]. Typiquement, la largeur de bande des signaux UWB est de lโ€™ordre de 500 MHz ร  plusieurs GHz.

ร‰volution historique

Lโ€™รฉtude de lโ€™รฉlectromagnรฉtisme dans le domaine temporel dรฉbuta il y a une quarantaine dโ€™annรฉes. Les premiรจres recherches se sont concentrรฉes sur les applications radar en raison de la nature large bande des signaux, qui implique un fort pouvoir de rรฉsolution temporelle. Une รฉtude complรจte des premiรจres recherches rรฉalisรฉes dans ce domaine a รฉtรฉ prรฉsentรฉe par Bennett et Ross [Bennett 78], tandis que Taylor [Taylor 95] prรฉsente les fondements de la technologie UWB appliquรฉe au radar. De rรฉguliรจres avancรฉes de la recherche ont รฉtรฉ rรฉalisรฉes depuis le milieu des annรฉes 60, comme en atteste lโ€™รฉtude historique de Barrett [Barrett 00]. Cependant, lโ€™utilisation des signaux UWB dans le domaine de la communication radio nโ€™a pas รฉtรฉ concrรจtement envisagรฉe avant la fin du siรจcle. En 1990, le dรฉpartement de la dรฉfense du gouvernement des ร‰tats-Unis a publiรฉ les rรฉsultats de son รฉvaluation de la technologie UWB, qui sโ€™est concentrรฉe exclusivement sur les systรจmes radar, รฉtant donnรฉ quโ€™aucune application de lโ€™UWB aux systรจmes de communication nโ€™รฉtait alors envisagรฉe [Fowler 90].

Plus rรฉcemment, la recherche sโ€™est concentrรฉe sur les signaux UWB pour la communication radio [Scholtz 93, Scholtz 97], mettant ร  profit les principales caractรฉristiques de cette technique : une rรฉsolution temporelle de lโ€™ordre de la nanoseconde due ร  la largeur de la bande de frรฉquences, un faible rapport cyclique permettant des modulations de type ยซ saut temporel ยป et la gestion des usagers multiples, et une transmission possible sans porteuse, ce qui simplifie lโ€™architecture des systรจmes radio [Foerster 01a]. Dรจs 1998, la FCC lance une premiรจre รฉtude sur lโ€™Ultra Large Bande. En fรฉvrier 2002, un premier rapport de rรฉgulation est publiรฉ, permettant en particulier la transmission de signaux sur la bande 3,1 GHz – 10,6 GHz pour les communications sans fil, avec de fortes contraintes sur la densitรฉ spectrale de puissance [FCC 02].

Principales caractรฉristiques de lโ€™UWB

En raison de leur grande largeur de bande, les signaux UWB possรจdent un fort pouvoir de rรฉsolution temporelle, typiquement de lโ€™ordre de la nanoseconde. Une premiรจre implication de cette propriรฉtรฉ concerne la localisation : connaissant le retard dโ€™un signal avec une prรฉcision de lโ€™ordre de 0,1 ร  1 ns, il est possible dโ€™obtenir des informations sur la position de lโ€™รฉmetteur avec une prรฉcision de 3 ร  30 cm. Dโ€™autre part, les propriรฉtรฉs de rรฉsolution temporelle du signal radio UWB permettent une grande robustesse du systรจme face aux รฉvanouissements rapides du canal de propagation dus aux trajets multiples. En effet, les impulsions trรจs brรจves des formes dโ€™ondes UWB permettent de dรฉtecter sรฉparรฉment les rรฉflexions multiples dues au canal radio, qui dรจs lors ne gรฉnรจrent plus de recombinaison destructive au niveau du rรฉcepteur. Une troisiรจme caractรฉristique des signaux UWB rรฉside dans leur faible densitรฉ spectrale de puissance. Cette propriรฉtรฉ nโ€™est pas intrinsรจque aux signaux UWB comme nous les avons dรฉfinis plus haut , mais est imposรฉe par les autoritรฉs de rรฉgulation du spectre radio. En effet, รฉtant donnรฉe lโ€™รฉtendue spectrale des signaux UWB, la bande de frรฉquences quโ€™ils occupent recouvre nรฉcessairement des frรฉquences dรฉjร  allouรฉes ร  dโ€™autres systรจmes radio. Pour permettre la co-existence pacifique de lโ€™UWB avec dโ€™autres technologies radio ร  bande plus รฉtroite, la FCC a par exemple limitรฉ la densitรฉ spectrale de puissance des signaux UWB ร  โˆ’41 dBm.MHzโˆ’1 , ce qui correspond ร  la limite de densitรฉ spectrale de puissance autorisรฉe pour les รฉmissions radio non intentionnelles(1). Cette faible densitรฉ spectrale de puissance amรฉliore la sรฉcuritรฉ des communications radio UWB, รฉtant donnรฉ que les signaux transmis deviennent plus difficilement dรฉtectables. Une autre consรฉquence de cette particularitรฉ concerne la distance de propagation, qui se trouve limitรฉe ร  une dizaine de mรจtres. Les applications UWB visent donc des systรจmes de tรฉlรฉcommunication ร  courte portรฉe et ร  haut dรฉbit, et sont donc particuliรจrement adaptรฉes au dรฉveloppement de rรฉseaux de type ad hoc.

Au niveau de lโ€™implรฉmentation, les systรจmes radio conventionnels sont en gรฉnรฉral de conception hรฉtรฉrodyne : le signal codant les donnรฉes ร  transmettre est gรฉnรฉrรฉ en bande de base, puis il est transposรฉ ร  des frรฉquences plus รฉlevรฉes pour รชtre รฉmis. Lโ€™UWB permet lโ€™utilisation dโ€™impulsions gรฉnรฉrรฉes en bande de base et directement transmises sur le canal radio sans รฉtape de modulation. Cette possibilitรฉ de transmission sans porteuse simplifie lโ€™architecture des systรจmes radio.

Parmi les caractรฉristiques des signaux UWB, on peut encore citer la possibilitรฉ de rรฉaliser des systรจmes de communication et de localisation utilisant la mรชme technologie. En mode impulsionnel, lโ€™UWB prรฉsente un faible rapport cyclique permettant des modulations de type ยซ saut temporel ยป et la gestion des usagers multiples. Lโ€™UWB semble donc un candidat prometteur pour les systรจmes de localisation et de communications radio haut-dรฉbit ร  courte portรฉe.

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Table des matiรจres

Introduction
1 Le canal de propagation radio pour la technologie Ultra Large Bande
1.1 La technologie Ultra Large Bande
1.1.1 Introduction : quโ€™est-ce que lโ€™UWB ?
1.1.1.1 Dรฉfinition
1.1.1.2 ร‰volution historique
1.1.1.3 Principales caractรฉristiques de lโ€™UWB
1.1.1.4 Applications UWB
1.1.2 La rรฉgulation du spectre radio UWB
1.1.3 Principes de communication UWB
1.1.3.1 Radio impulsionnelle
1.1.3.2 ร‰talement de spectre UWB
1.1.3.3 Modulation OFDM sur bandes multiples
1.2 La propagation radioรฉlectrique ร  lโ€™intรฉrieur des bรขtiments
1.2.1 Dรฉfinition du canal de propagation
1.2.1.1 Propagation en espace libre
1.2.1.2 Propagation par trajets multiples
1.2.1.3 Variations du canal de propagation
1.2.2 Reprรฉsentation du canal de propagation
1.2.2.1 Formulation mathรฉmatique
1.2.2.2 Caractรฉrisation des canaux dรฉterministes
1.2.2.3 Caractรฉrisation des canaux alรฉatoires linรฉaires
1.2.2.4 Classification des canaux
1.2.3 Paramรจtres de caractรฉrisation du canal
1.2.3.1 Sรฉlectivitรฉ frรฉquentielle
1.2.3.2 Variabilitรฉ lente
1.2.3.3 ร‰vanouissements rapides
1.2.3.4 Analyse spectrale
1.3 Modรจles de canal radio UWB
1.3.1 Modรจle Cassioli-Win-Molisch
1.3.2 Modรจles IEEE 802.15
1.3.2.1 Modรจle IEEE 802.15.3a
1.3.2.2 Modรจle IEEE 802.15.4a
1.3.3 Approche frรฉquentielle
1.3.4 Un exemple de modรจle dรฉterministe
1.4 Conclusion
2 Sondage du canal radio UWB
2.1 Problรฉmatiques de mesure en contexte UWB
2.2 Les mรฉthodes de sondage du canal radio UWB
2.2.1 Mรฉthodes frรฉquentielles
2.2.1.1 Analyseur de rรฉseau vectoriel
2.2.1.2 Sondeur chirp
2.2.2 Mรฉthodes temporelles
2.2.2.1 Mesures par impulsions
2.2.2.2 Mesures par corrรฉlation
2.2.2.3 Techniques dโ€™inversion
2.2.3 Solution sรฉlectionnรฉe pour le canal UWB statique
2.2.3.1 Sondeurs
2.2.3.2 Dispositifs de mesure spatiale
2.2.3.3 Antennes
2.2.3.4 Amplification et calibration
2.3 Extension dโ€™un sondeur SIMO vers lโ€™UWB
2.3.1 Principe du sondage temporel ร  balayage frรฉquentiel
2.3.2 Description du sondeur de canal SIMO
2.3.3 Extension vers lโ€™UWB
2.3.3.1 Principe
2.3.3.2 Filtrage et intรฉgration
2.3.3.3 Synchronisation รฉmetteur-rรฉcepteur
2.3.3.4 Calibration fine des bandes partielles
2.3.4 Validation expรฉrimentale
2.3.4.1 Environnement statique
2.3.4.2 Environnement dynamique
2.3.4.3 Etude Doppler
2.4 Rรฉcapitulatif des campagnes de mesures du canal UWB
2.5 Conclusion
3 ร‰tude du canal radio UWB statique
3.1 ร‰tude prรฉliminaire sur la bande 4 GHz – 6 GHz
3.1.1 Mise en ล“uvre expรฉrimentale
3.1.2 Pertes par propagation
3.1.3 Paramรจtres grande รฉchelle
3.1.4 Paramรจtres petite รฉchelle
3.1.5 Bilan de la campagne prรฉliminaire
3.2 ร‰tude du canal radio UWB sur la bande 3,1 GHz – 10,6 GHz
3.2.1 Mise en ล“uvre expรฉrimentale
3.2.1.1 Rรฉalisation des mesures
3.2.1.2 Analyse de lโ€™antenne
3.2.2 Pertes par propagation en frรฉquence
3.2.2.1 Effet de lโ€™antenne
3.2.2.2 Coefficient de pertes par propagation en frรฉquence
3.2.3 Pertes par propagation en distance
3.2.3.1 Bande dโ€™analyse globale
3.2.3.2 Influence de la frรฉquence
3.2.4 Paramรจtres grande รฉchelle
3.2.4.1 Dispersion des retards
3.2.4.2 Coefficients de dรฉcroissance exponentielle
3.2.4.3 Coefficients de dรฉcroissance en puissance
3.2.4.4 Taux dโ€™arrivรฉe des clusters et des rayons
3.2.5 Paramรจtres petite รฉchelle
3.3 Conclusion
Conclusion

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