Mise en œuvre de nouvelles modulations IR-ULB haut débit (M-OAM) 

Avantages et inconvénients de l’ULB

Les avantages

L’ultra large bande offre les avantages suivants : Les signaux ULB ont une faible densité spectrale de puissance, étant donné que la puissance du signal est répartie sur une grande largeur de bande. Cette particularité confère aux systèmes utilisant l’ULB une faible probabilité de détection et d’interception [ElBahhar 03].
Les signaux ULB interfèrent peu ou pas avec d’autres signaux, tels les signaux à bande étroite, car leur puissance est très faible sur la petite partie du spectre concernée. Donc leur utilisation permet de garantir une plus grande sécurité [Lamari 07].
Les signaux ULB possèdent une bonne capacité de pénétration grâce à leur grande largeur de bande. Ils peuvent ainsi traverser des surfaces, telles que les murs, contrairement à d’autres technologies comme par exemple l’infrarouge [Pecastaing 01].
Les signaux ULB souffrent très peu de l’influence des trajets multiples, car, grâce à la brièveté des impulsions ULB, le signal direct arrive bien avant ceux correspondant aux chemins secondaires, sans qu’aucun recouvrement ne se produise [Sakkila 09].
Les systèmes basés sur la technologie ULB ont une meilleure capacité.  En se basant sur cette formule, nous pouvons souligner que l’augmentation de la capacité d’un système est liée à l’augmentation sa bande passante. D’où la technique ULB qui réponde bien à cette condition.
Les systèmes ULB présentent un bon compromis grâce à leur simplicité et au coût faible des composants.

Les inconvénients

Les systèmes de communication ULB présentent quelques limites que nous citons ci-dessous: Les différentes composantes fréquentielles du signal ne se propagent pas à la même vitesse. Des phénomènes de dispersion en fréquence peuvent alors apparaître. Par exemple dans la bande de 0 à 3GHz, les ondes ne se propagent pas de la même vitesse surtout dans un environnement de propagation hétérogène [Elbahhar 03].
L’atténuation non uniforme des différentes composantes fréquentielles peut conduire à des phénomènes de distorsion en fréquence [Lombard 07].
Les signaux ULB sont filtrés par les antennes. Le défi est de concevoir des antennes de petite taille et efficaces sur toute la bande de fréquence utilisée (antenne ultra-large bande) [Lamari 07].
Le système ULB n’atteint pas pour le moment les performances des systèmes optiques à grands débits (de l’ordre de plusieurs Gbits/s).c’est ce problème qui sera abordé dans cette thèse : concevoir un système de communication ULB capable de transmettre des débits très élevés (> Gbits/s ).
La commercialisation des systèmes de radiocommunication ULB nécessite une réglementation et normalisation universelle au niveau des ressources en fréquence et en puissance.

Réglementation et normalisation de l’ULB

Dans le cadre de divers services de radiocommunication, les organismes de gestion du spectre interviennent pour contrôler l’usage de la précieuse ressource spectrale, afin d’assurer la coexistence de tous les utilisateurs du spectre électromagnétique. Nombreux sont les travaux qui visent l’élaboration des normes et règlements pour l’introduction et l’utilisation des systèmes ULB à travers le monde.
Les Etats-Unis sont les premiers à avoir traité le problème inédit de la réglementation de la technique ULB. En 2002, la FCC a proposé un compromis entre le respect des applications existantes et l’autorisation de déploiement de nouvelle technologie ULB. Dans le reste du monde, les organismes de réglementation restent méfiants. En Europe, par exemple, il est envisagé d’imposer des contraintes sur les émissions des systèmes ULB plus strictes que la réglementation américaine.

Aux Etats-Unis

En 1998, l’autorité de régulation FCC a lancé ses travaux sur l’ULB aux Etats-Unis [FCC 98]. En mai 2000, une première proposition de régulation est publiée Notice of proposed rule making qui aboutit au texte de régulation Report and arder [FCC 00]. En février 2002, la FCC publie son rapport nommé« First Report and Order » [FCC 02] qui réglemente des émissions ULB.
Les règles de régulation du spectre ULB de la FCC permettant d’émettre des signaux principalement sur la bande en respectant une densité spectrale de puissance inférieure aux règles déjà en place pour les émissions radio non intentionnelles.
La FCC définit un masque d’émission des signaux ULB pour les systèmes de communication pour des applications à l’intérieur (Indoor) et à l’extérieur (Outdoor).
Dans toute bande de 1 MHz comprise entre 3.1 et 10.6 GHz, la puissance moyenne sur une durée inférieure à 1 ms ne doit pas dépasser -41.3 dBm!MHz. De plus, la FCC a défini le signal ULB étant un signal avec une bande de fréquence instantanée à -10 dB supérieure à 500 MHz ou un signal dont la largeur de bande relative à -10 dB est supérieure à 20% de la fréquence centrale. Par ailleurs, la réglementation de la FCC, propose de limiter la puissance crête émise. Cette puissance ne devrait pas dépasser un certain niveau P (en dB) au-dessus de la limite moyenne d’émission permise par la «partie 15» des règles de la commission [FCC 00].

En Asie

En Asie, le Japon et Singapour sont les premières qui se sont occupées de la régulation de l’ULB. Dès septembre 2002, le groupe de travail Information and Communication Technology Sub-Council au Japon a présenté ses premières investigations sur la technologie ULB au ministère des télécommunications, afin de préparer la régulation de l’ULB. Les règles fixées par le Japon pour les émissions radio non intentionnelles sont bien plus strictes qu’aux États Unis ou en Europe, avec une marge de plus de 20dB dans la bande [3.1GHz, 10.6GHz].
L’autorité singapourienne Infocomm Developpement Authority (IDA) a créé, en 2003, une zone de recherche sur l ‘ULB, appelé ULB friendly zone, permettant la mise en place des tests et des démonstrateurs à Singapour avec des expérimentations utilisant des émissions de puissance jusqu’à lOdB au-dessus de la limite de la FCC et une bande s’étalant de 2GHz à. 10GHz.
Dès février 2002, afin, les organismes Singapouriens ont autorisé l’ émission de ces signaux pour une période expérimentale de 2 ans en respectant le masque.

En Europe

En Europe, l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) se charge de la normalisation et de la compatibilité électromagnétique des systèmes. Il travaille en collaboration avec un groupe du CEPT (Conférence Européenne des administrations des Postes et des Télécommunications) dont les tâches sont d’étudier l’impact des systèmes ULB sur les systèmes déjà existants et de prendre les décisions finales concernant la réglementation du spectre [Porcino 03].
Les dispositifs conformes aux normes ULB acceptées actuellement par les Etats-Unis peuvent créer des interférences avec les réseaux sans fil qui fonctionnent sur d’autres fréquences en Europe. Etant beaucoup plus prudente, en termes de sécurité, pour l ‘ouverture de son spectre, l’UE a établi des contraintes sur les émissions des systèmes ULB plus strictes que la réglementation américaine, en diminuant particulièrement la largeur des bandes allouées.
L’ETSI propose dès 2002, d’adapter le masque en escaliers de la FCC en un masque dont les transitions sont progressives. Ce type de masque permet de mieux protéger les systèmes «indoor» fonctionnant sur des fréquences inférieures à 3.1 GHz ou supérieures à 10.6 GHz, sans réduire les performances du système ULB entre 3.1 et 10.6 GHz.

Applications potentielles de la technologie ULB

Durant ces dernières années, la transmission ULB a connu un intérêt important aussi bien au niveau académique qu’industriel pour des applications de communication sans fils [Withington 98], [Cavalee 01], [Win 98]. L’autorisation du développement des applications ULB est à l’ origine de la création de deux groupes de standardisation IEEE pour les communications bas et hauts débits. Deux standards industriels sont proposés :
IEEE 802.15.4a [Héthuin 05] offrant un débit inférieur à 2 Mbits/s à une portée allant jusqu’à 300 mètres et une grande autonomie des batteries. Ce premier standard s’intéresse aux systèmes de localisation et de communication bas débit (potentiellement le ZigBee) qui appartiennent à la famille des LR WP AN (Low Rate Wireless Personnel Area Network). Ces réseaux construits autour de la technologie ULB sont appréciés par leur faible consommation, faible coût et de la possibilité de localisation fine.
IEEE 802.15.3a. offrant un débit maximal de 480 Mbit/s à très courte portée inférieure à 10 mètres, conçu principalement pour les réseaux personnels de types WP AN (Wireless Personnel Area Network) et WLAN (Wireless Local Area Network). Ce deuxième standard fournit une couche physique ULB radio permettant des communications multibandes hauts débits. Concernant les communications à haut débit, les propositions actuelles reposent sur des solutions dérivées des techniques traditionnelles à bande étroite [Bahri 09].
En 1999, le standard de communication radio haut débit a été mis en place. En effet, plusieurs applications basées sur la technologie ULB ont été proposées. Dans cette thèse, nous nous focalisons essentiellement sur celles spécifiques à l’ULB haut débit. Les potentielles applications sont détaillées ci-dessous et se divise en plusieurs catégories:
Multimédia et domotique ; Domaine Industriel ; Domaine de Transport ; Domaine Médical.

Quelques projets ULB

MICS-UWB

Le projet MICS-UWB (Mobile Information and Communications Systems- ultra large bande) est un des six projets du MICS qui sont exécutés dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil au sein du centre national de compétence en recherche (NCCR). Ce projet est soutenu par le fonds national suisse. Le projet MICS-UWB est basé sur l’Ultra large Bande (ULB) ainsi que la robotique mobile. L’objectif est de construire un système qui permet à une équipe de robots mobiles de se localiser avec une grande précision (de l’ordre de quelques centimètres), très fréquemment (environ une fois par seconde) et en toute sécurité, afin d’effectuer certaines actions tel que le nettoyage. Une plateforme de développement basée sur les robots mobiles est sélectionnée. Le développement des implémentations des circuits intégrés au niveau de l’émetteur est basé sur l’ULB.
Les partenaires du projet sont principalement des académiques :
Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) ;Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM); Centre de recherche en Systèmes de Communications (EURECOM); Laboratoire pour les communications et les applications (LCA); Laboratoire d’électromagnétisme et d’acoustique (LEMA).

WALTER

Le projet WALTER (Wireless Alliance for testing Experiment and Research) est un projet de recherche européen qui a démarré en 2008, pour une période de 2 ans. Il comprend huit partenaires d’Europe, Israël et la Chine. Les partenaires de ce projet sont des industriels (AT4 wireless,Wisair,CTL, … ), des instituts de recherche (JRC, IPSC … ) ainsi que des organismes de normalisation (ETSI,TMC) .Ce projet vise à développer les moyens nécessaires permettant e mesurer et tester les signaux ULB haut débit. Le but est d’effectuer des tests sur les réseaux sans fil haut débit qui couvrent les besoins émergents de la recherche et de l’industrie. Déjà en cours de normalisation aux États-Unis, et soutenue par la WiMedia Alliance, l’ULB sera la base des générations de Bluetooth ou USB et réseaux personnels sans fil. L’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) poursuit l’harmonisation de la normalisation pour favoriser l’adoption de l’ULB en Europe qui est en retard par rapport aux Etats-Unis. Le projet WALTER a pour objectif de réaliser des tests permettant de surmonter les problèmes technologiques associés aux mesures des signaux de très hautes fréquences. Basé sur une analyse profonde des besoins et sur une définition précise des spécifications, ce projet sera suffisamment souple pour répondre à la fois à des besoins industriels à court terme et académiques à long terme.

UCELLS

Le projet UCELLS (Ultra-wide band real-time interference monitoring and CELLular management Strategies) a débuté en 2007. L’objectif principal du projet UCELLS est d’étudier et de démontrer les capacités des cellulaires ULB utilisant un système de surveillance du spectre basé sur la performance du convertisseur ADC, afin de permettre la coexistence de manière efficace avec les actuels et futurs mobiles et fixes et la compatibilité des systèmes de communications sans fils basés sur l’ULB avec des systèmes sans fil existant .Les partenaires académiques sont :
UPVLC-NTC (Université Polytechnique de Valence) ;ESAT-SCD (division« Signaux et systèmes» de l’université catholique de Louvain); IST (Institut Supérieur de Technologie de Lisbonne); Université de Rennes 1.
Les partenaires industriels sont : WISAIR; DAS Photonics; IMST; SIRADEL; EUSK.ALTEL .

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Généralités sur la technique ULB et les applications visées 
1.1 Introduction
1.2 Principe de la technologie ULB
1.3 Comparaison aux autres standards
1.4 Avantages et inconvénients de l’ULB
1.4.1 Les avantages
1.4.2 Les inconvénients
1.5 Réglementation et normalisation de l’ULB
1.5.1 Aux Etats-Unis
1.5.2 En Asie
1.5.3 En Europe
1.6 Applications potentielles de la technologie ULB
1.6.1 Multimédia & domotique
1.6.2 Industrie et entreprise
1.6.3 Transport
1.6.4 Domaine médical
1.7 Quelques projets ULB
1.7.1 MICS-UWB
1.7.2 WALTER
1.7.3 UCELLS
1.7.4 UWB-DOM0
1.7.5 EUWB
1.8 Conclusion
Chapitre 2 Description d’une chaine de transmission ULB 
2.1 Introduction
2.2 Les différentes techniques de modulation
2.2.1 Modulation d’impulsions en position (PPM)
2.2.2 Modulation d’impulsions en amplitude (PAM)
2.2.3 Modulation par tout ou rien (OOK)
2.2.4 Modulation de phase (BPSK)
2.2.5 Modulation à M-états (M-BOK)
2.2.6 Modulation combinée (PAM/PPM)
2.2.7 Modulation par transmission de référence (TR)
2.3 Les différentes techniques de multiplexage
2.3.1 DS-CDMA (Direct Sequence- Code Division Multiple Access)
2.3.2 TH-CDMA (Time hopping- Code Division Multiple Access)
2.4 Association des modulations aux techniques d’accès multiple
2.4.1 PPM-TH-ULB
2.4.2 BPSK-TH-ULB
2.4.3 BPSK-DS-ULB
2.4.4 PPM-DS-ULB
2.5 Canaux ULB
2.5.1 Modèle IEEE 802.15.3a Indoor
2.5.2 Modèle IEEE 802.15.4a Outdoor
2.6 Introduction des récepteurs pour les systèmes ULB
2.6.1 Le récepteur cohérent
2.6.2 Récepteur non cohérent
2.7 Conclusion
Chapitre 3 Etude d’une communication ULB basée sur une combinaison de modulations de position et de polarité 
3.1 Introduction
3.2 Formes d’ondes pour les systèmes de communications ULB
3.2.1 L’impulsion Gaussienne
3.2.2 L’impulsion monocycle
3.2.3 Formes d’onde orthogonales
3.3 Etude de la modulation de position (PPM)
3.3.1 Principe de la modulation PPM
3.3.2 Description de l’émetteur PPM
3.3.3 Description du récepteur PPM
3.3.4 Calcul du taux d’erreurs (BER)
3.4 Présentation de la modulation proposée PPM-Bipolaire
3.4.1 Description de l’émetteur PPM-Bipolaire
3.4.2 Description du récepteur PPM-Bipolaire
3.4.1 Calcul analytique de la probabilité d’erreur
3.4.2 Calcul du taux d’erreurs (BER)
3.5 Effets des interférences
3.5.1 Effet du jitter pour le système basé sur la modulation PPM
3.5.2 Effet du jitter pour le système basé sur la modulation PPM- Bipolaire
3.6 Conclusion
Chapitre 4 Mise en œuvre de nouvelles modulations IR-ULB haut débit (M-OAM) 
4.1 Introduction
4.2 Modulation M-QAM
4.2.1 Principe
4.2.2 Propriétés des modulations QAM
4.3 Nouvelle approche aux modulations à haut débit pour les systèmes IR-ULB: Proposition des modulations M-OAM
4.3.1 Modulation 4-0AM
4.3.2 Modulation 16-0AM
4.3.3 La modulation 64-0AM
4.3.4 Comparaison des 3 modulations étudiées
4.4 Cas particuliers des modulations M-OAM
4.4.1 Modulation 8-0AM
4.4.2 Modulation 32-0AM
4.5 Conclusion
Chapitre 5 Test et conception de systèmes de communication étudiés
5.1 Introduction
5.2 Équipement de la manipulation
5.2.1 Système expérimental général
5.2.2 Le générateur
5.2.3 Le pré- amplificateur
5.2.4 Les antennes
5.2.5 L’oscilloscope
5.2.6 Unité de traitement
5.3 Résultats expérimentaux
5.3.1 Système basé sur la modulation PPM
5.3.2 Système basé sur la modulation PPM bipolaire
5.3.3 Système basé sur la modulation M-OAM
5.4 Réalisation de l’unité de traitement de signal sur FPGA
5.4.1 Traitement actuel, en temps différé
5.4.2 Traitement en temps réel
5.5 Choix technologique, FPGA + CAN
5.6 Etude préliminaire
5.6.1 Problème de la limite d’échantillonnage
5.6.2 Mesures en temps différé à la limite du CAN
5.6.3 Architecture du corrélateur
5.6.4 Architecture série, acquisition continue
5.6.5 Architecture parallèle
5.7 Problèmes rencontrés lors des expérimentations
5.8 Conclusion
CONCLUSION 
BIBLIOGRAPHIE 

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