Le canal de propagation radio pour la technologie Ultra Large Bande

L’Ultra Large Bande, ou Ultra Wide Band (UWB), est une technique de transmission radioélectrique qui consiste à utiliser des signaux s’étalant sur une large bande de fréquences, typiquement de l’ordre de 500 MHz à plusieurs GHz. D’abord utilisée dans le domaine de la localisation radar, cette technologie est appliquée depuis une dizaine d’années à la communication sans fil, suscitant un intérêt grandissant au sein de la communauté scientifique et industrielle. Les caractéristiques propres à la technologie UWB, comme son large support spectral et son fort pouvoir de résolution temporelle, permettent en effet de proposer des systèmes de communication à très haut débit, jusqu’à plusieurs centaines de Mbit/s. Dès 2002, l’autorité de régulation américaine Federal Communications Commission (FCC) a autorisé l’émission 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 définition de masques d’émission similaires est en cours. Dans le contexte actuel de forte demande pour des application multimédia sans fil, l’UWB semble donc une solution innovante et attractive pour les futurs systèmes de communication radio. Aujourd’hui, d’importants groupes industriels, comme UWB Forum et Multi-Band OFDM Alliance s’engagent dans la conception d’équipements basés sur la technologie UWB et débattent des solutions techniques à adopter en normalisation.

Afin de développer de tels systèmes, une parfaite connaissance des propriétés du canal radio est nécessaire. Les performances d’un système de transmission sans fil sont en effet directement liées aux conditions de propagation entre l’émetteur et le récepteur. Ceux-ci doivent donc être dimensionnés pour tirer le meilleur parti des caractéristiques du canal et atténuer ses effets négatifs. Ainsi, la modélisation des pertes en puissance par propagation permet d’estimer la couverture du système radio, tandis que des simulations de lien permettent d’évaluer la robustesse de la communication. De par la largeur de son support spectral, le canal de propagation UWB est intrinsèquement différent des canaux large bande traditionnels. Son étude précise est donc requise pour évaluer tout le potentiel et les contraintes des systèmes de communication UWB.

Le canal de propagation radio pour la technologie Ultra Large Bande

Face à la demande croissante pour les applications multimédia sans fil, le monde des télécommunications doit répondre aujourd’hui à un réel besoin pour les systèmes radio à très haut débit [Pezzin 03]. Parmi les récentes innovations dans ce domaine, la communauté scientifique s’intéresse particulièrement à l’Ultra Large Bande, ou Ultra Wide Band (UWB), qui consiste à utiliser des bandes de fréquences de l’ordre de 500 MHz à plusieurs GHz [Yang 04]. Cet important étalement fréquentiel confère à l’UWB des caractéristiques uniques, comme son fort pouvoir de résolution temporelle et sa faible densité spectrale de puissance. L’UWB se présente donc comme une technologie attractive pour les systèmes de localisation et de communication radio à courte portée et haut débit.  Le développement d’un système de communication nécessite une parfaite connaissance de son milieu de transmission. Pour les systèmes radio, les architectures de l’émetteur et du récepteur doivent être dimensionnées en fonction des propriétés du canal de propagation. Ce dernier doit donc être caractérisé dans les environnements où le système sera déployé. Dans la pratique, on propose des modèles de canal, qui permettent la simulation du lien radio et la mise au point du système de communication.

La technologie Ultra Large Bande

Introduction : qu’est-ce que l’UWB ?

Définition
L’Ultra Large Bande, ou UWB, est un terme générique utilisé pour représenter une technique d’accès radio qui a été étudiée sous différentes 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-sinusoïdale), orthogonal function radio (radio à fonction orthogonale), et large relative bandwidth radio (radio à grande largeur de bande relative) [Barrett 00].

L’autorité de régulation américaine FCC étend cette définition à une catégorie plus large de signaux, en incluant les signaux dont la largeur de bande relative Bf,10 dB est supérieure à 20 % ou présentant une bande de fréquences supérieure à 500 MHz [FCC 02]. Typiquement, la largeur de bande des signaux UWB est de l’ordre de 500 MHz à plusieurs GHz.

Évolution historique

L’étude de l’électromagnétisme dans le domaine temporel débuta il y a une quarantaine d’années. Les premières recherches se sont concentrées sur les applications radar en raison de la nature large bande des signaux, qui implique un fort pouvoir de résolution temporelle. Une étude complète des premières recherches réalisées dans ce domaine a été présentée par Bennett et Ross [Bennett 78], tandis que Taylor [Taylor 95] présente les fondements de la technologie UWB appliquée au radar. De régulières avancées de la recherche ont été réalisées depuis le milieu des années 60, comme en atteste l’étude historique de Barrett [Barrett 00]. Cependant, l’utilisation des signaux UWB dans le domaine de la communication radio n’a pas été concrètement envisagée avant la fin du siècle. En 1990, le département de la défense du gouvernement des États-Unis a publié les résultats de son évaluation de la technologie UWB, qui s’est concentrée exclusivement sur les systèmes radar, étant donné qu’aucune application de l’UWB aux systèmes de communication n’était alors envisagée [Fowler 90].

Plus récemment, la recherche s’est concentrée sur les signaux UWB pour la communication radio [Scholtz 93, Scholtz 97], mettant à profit les principales caractéristiques de cette technique : une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde due à la largeur de la bande de fréquences, un faible rapport cyclique permettant des modulations de type « saut temporel » et la gestion des usagers multiples, et une transmission possible sans porteuse, ce qui simplifie l’architecture des systèmes radio [Foerster 01a]. Dès 1998, la FCC lance une première étude sur l’Ultra Large Bande. En février 2002, un premier rapport de régulation est publié, 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 densité spectrale de puissance [FCC 02].

Principales caractéristiques de l’UWB

En raison de leur grande largeur de bande, les signaux UWB possèdent un fort pouvoir de résolution temporelle, typiquement de l’ordre de la nanoseconde. Une première implication de cette propriété concerne la localisation : connaissant le retard d’un signal avec une précision de l’ordre de 0,1 à 1 ns, il est possible d’obtenir des informations sur la position de l’émetteur avec une précision de 3 à 30 cm. D’autre part, les propriétés de résolution temporelle du signal radio UWB permettent une grande robustesse du système face aux évanouissements rapides du canal de propagation dus aux trajets multiples. En effet, les impulsions très brèves des formes d’ondes UWB permettent de détecter séparément les réflexions multiples dues au canal radio, qui dès lors ne génèrent plus de recombinaison destructive au niveau du récepteur. Une troisième caractéristique des signaux UWB réside dans leur faible densité spectrale de puissance. Cette propriété n’est pas intrinsèque aux signaux UWB comme nous les avons définis plus haut , mais est imposée par les autorités de régulation du spectre radio. En effet, étant donnée l’étendue spectrale des signaux UWB, la bande de fréquences qu’ils occupent recouvre nécessairement des fréquences déjà allouées à d’autres systèmes radio. Pour permettre la co-existence pacifique de l’UWB avec d’autres technologies radio à bande plus étroite, la FCC a par exemple limité la densité spectrale de puissance des signaux UWB à −41 dBm.MHz−1 , ce qui correspond à la limite de densité spectrale de puissance autorisée pour les émissions radio non intentionnelles(1). Cette faible densité spectrale de puissance améliore la sécurité des communications radio UWB, étant donné que les signaux transmis deviennent plus difficilement détectables. Une autre conséquence de cette particularité concerne la distance de propagation, qui se trouve limitée à une dizaine de mètres. Les applications UWB visent donc des systèmes de télécommunication à courte portée et à haut débit, et sont donc particulièrement adaptées au développement de réseaux de type ad hoc.

Au niveau de l’implémentation, les systèmes radio conventionnels sont en général de conception hétérodyne : le signal codant les données à transmettre est généré en bande de base, puis il est transposé à des fréquences plus élevées pour être émis. L’UWB permet l’utilisation d’impulsions générées en bande de base et directement transmises sur le canal radio sans étape de modulation. Cette possibilité de transmission sans porteuse simplifie l’architecture des systèmes radio.

Parmi les caractéristiques des signaux UWB, on peut encore citer la possibilité de réaliser des systèmes de communication et de localisation utilisant la même technologie. En mode impulsionnel, l’UWB présente un faible rapport cyclique permettant des modulations de type « saut temporel » et la gestion des usagers multiples. L’UWB semble donc un candidat prometteur pour les systèmes de localisation et de communications radio haut-débit à courte portée.

Table des matières

Introduction
1 Le canal de propagation radio pour la technologie Ultra Large Bande
1.1 La technologie Ultra Large Bande
1.1.1 Introduction : qu’est-ce que l’UWB ?
1.1.1.1 Définition
1.1.1.2 Évolution historique
1.1.1.3 Principales caractéristiques de l’UWB
1.1.1.4 Applications UWB
1.1.2 La régulation du spectre radio UWB
1.1.3 Principes de communication UWB
1.1.3.1 Radio impulsionnelle
1.1.3.2 Étalement de spectre UWB
1.1.3.3 Modulation OFDM sur bandes multiples
1.2 La propagation radioélectrique à l’intérieur des bâtiments
1.2.1 Définition 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 Représentation du canal de propagation
1.2.2.1 Formulation mathématique
1.2.2.2 Caractérisation des canaux déterministes
1.2.2.3 Caractérisation des canaux aléatoires linéaires
1.2.2.4 Classification des canaux
1.2.3 Paramètres de caractérisation du canal
1.2.3.1 Sélectivité fréquentielle
1.2.3.2 Variabilité lente
1.2.3.3 Évanouissements rapides
1.2.3.4 Analyse spectrale
1.3 Modèles de canal radio UWB
1.3.1 Modèle Cassioli-Win-Molisch
1.3.2 Modèles IEEE 802.15
1.3.2.1 Modèle IEEE 802.15.3a
1.3.2.2 Modèle IEEE 802.15.4a
1.3.3 Approche fréquentielle
1.3.4 Un exemple de modèle déterministe
1.4 Conclusion
2 Sondage du canal radio UWB
2.1 Problématiques de mesure en contexte UWB
2.2 Les méthodes de sondage du canal radio UWB
2.2.1 Méthodes fréquentielles
2.2.1.1 Analyseur de réseau vectoriel
2.2.1.2 Sondeur chirp
2.2.2 Méthodes temporelles
2.2.2.1 Mesures par impulsions
2.2.2.2 Mesures par corrélation
2.2.2.3 Techniques d’inversion
2.2.3 Solution sélectionnée 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 d’un sondeur SIMO vers l’UWB
2.3.1 Principe du sondage temporel à balayage fréquentiel
2.3.2 Description du sondeur de canal SIMO
2.3.3 Extension vers l’UWB
2.3.3.1 Principe
2.3.3.2 Filtrage et intégration
2.3.3.3 Synchronisation émetteur-récepteur
2.3.3.4 Calibration fine des bandes partielles
2.3.4 Validation expérimentale
2.3.4.1 Environnement statique
2.3.4.2 Environnement dynamique
2.3.4.3 Etude Doppler
2.4 Récapitulatif des campagnes de mesures du canal UWB
2.5 Conclusion
3 Étude du canal radio UWB statique
3.1 Étude préliminaire sur la bande 4 GHz – 6 GHz
3.1.1 Mise en œuvre expérimentale
3.1.2 Pertes par propagation
3.1.3 Paramètres grande échelle
3.1.4 Paramètres petite échelle
3.1.5 Bilan de la campagne préliminaire
3.2 Étude du canal radio UWB sur la bande 3,1 GHz – 10,6 GHz
3.2.1 Mise en œuvre expérimentale
3.2.1.1 Réalisation des mesures
3.2.1.2 Analyse de l’antenne
3.2.2 Pertes par propagation en fréquence
3.2.2.1 Effet de l’antenne
3.2.2.2 Coefficient de pertes par propagation en fréquence
3.2.3 Pertes par propagation en distance
3.2.3.1 Bande d’analyse globale
3.2.3.2 Influence de la fréquence
3.2.4 Paramètres grande échelle
3.2.4.1 Dispersion des retards
3.2.4.2 Coefficients de décroissance exponentielle
3.2.4.3 Coefficients de décroissance en puissance
3.2.4.4 Taux d’arrivée des clusters et des rayons
3.2.5 Paramètres petite échelle
3.3 Conclusion
Conclusion

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