Modèle du système de communication MIMO

L’implémentation des systèmes de communication sans fils (Wireless Underground Communication Systems : WUCS) dans les milieux confinés et souterrains constitue l’un des domaines d’application les prometteurs au sein de l ‘industrie de la réseautique et des télécommunications [ 1]. En effet, un WUCS est ensemble de dispositifs sans fils opérant en dessous de la surface terrestre. Ces dispositifs peuvent être, soit totalement enterrés dans le sol, soit enfermés dans un volume ouvert dans le corps terrestre tel est le cas pour les mines et les tunnels [2]. Le déploiement de ce genre de ces systèmes vient dans le but de communiquer avec le sur sol et envoyer des données concernant plusieurs métriques relatives à une multitude d’applications. Citons à titre d’exemple, les réseaux de capteurs sans fils (WUSN : Wireless Underground Sensor Networks) qui permettent de communiquer des données relatives au sol au sein duquel ils sont déployés, en vue d’étudier le processus de nutrition des champs d’agriculture et mieux gérer et optimiser leur rendement [2]. Un WUCS peut être aussi implémenté dans les mines souterraines dans le but d’aider à l’automatisation des tâches complexes, la garantie de sécurité des équipes de travail et l’amélioration de la productivité.

Importance des communications souterraines et limites des technologies filaires

Les accidents qui ont eu lieu depuis la prolifération de l ‘industrie minière qui date du début du vingtième siècle, constituent l’un des éléments clefs qui justifient les recherches intenses autour de l’intégration des technologies de l ‘information et des communications dans les mines souterraines [ 1] [2]. Ceci est dans le but d’atteindre une meilleure gestion de la sécurité des équipes de mineurs via leur localisation en temps réel et le suivi continue du processus de travail. Ce qui permet de faire les opérations de sauvetage dans un minimum de temps lors des catastrophes et leur prévision dans d’autres cas. De plus, la maximisation de la rentabilité des équipes de travail ne peut être garantie que si les différents agents et éléments participant au processus minier sont bien synchronisés et mis en sorte que la productivité soit maximale [3]. Cette planification exige la mise en servtce d’un système de communication qui permet la coordination des différentes tâches en temps réel.

La technologie MIMO 

La tichesse en multi trajets dans un milieu confiné tel qu’une mine est un problème majew- et très limitant du point de vue d’un système sans fil utilisant une seule antenne à l’émission ainsi qu’une seule antenne à la réception. En effet, le Delay spread important oblige à diminuer le débit de données power garantir un seuil acceptable de la qualité du lien. Mais, les études approfondies ont  démontré qu’un système multi antenne, utilisant plus qu’une seule antenne à l’émission tant qu’à la réception rend les multi trajets un élément clef pour augmenter considérablement la capacité du lien radio par rappmt aux systèmes SISO [5]. La diversité spatiale offerte dans un milieu minier petmet de contoumer le problème du Delay spread d’une manière assez élégante.

Les systèmes de Communication Multiple-Input MultipleOutput (MIMO)
Dans le domaine des communications sans fils, et spécialement des réseaux mobiles, de l’internet, il y a toujours un besoin vital pour améliorer le débit offert dans le but de répondre à la demande mondiale de ce qu’on appelle « Best Connection ». En effet, le spectre radio est très limité et l’augmentation de la capacité du système de communication ne peut se faire sans l’amélioration de l’efficacité spectrale. De ce fait, plusieurs efforts ont été mené sur le codage source et le codage canal (MPEG, Turbo Code … ) afin d’atteindre la limite théorique de Shannon pour les systèmes Single Input Single Output (SISO). Mais, il s’est avéré que les améliorations faites étaient toujours en dessous du seuil vraiment voulu par le marché des télécommunications mobiles. Ces dernières années, il est apparu que l’on peut accéder à des degrés de liberté supplémentaires dans un système de communication sans fil, en exploitant la dimension spatiale du canal, c’est-à-dire en recourant à un système utilisant plusieurs antennes à la fois en émission et en réception (MIMO, »multiple input multiple output ») [7]. On peut exploiter cette dimension spatiale créée de différentes façons. On opte soit pour la maximisation de la capacité du système en émettant des données indépendantes sur chaque antenne, soit pour la maximisation de la fiabilité du système, avec une capacité réduite, en exploitant la diversité du système via les techniques de décodage spatio temporel [ 10]. Les débits offerts par cette technique ont amélioré le paysage du marché de télécommunications et plusieurs services sont rendus possibles grâce au grand potentiel de cette technique.

En effet, Dans le cadre de notre projet on a pensé à faire intégrer l’énorme potentiel des MIMO dans un système de communication, qui est censé opérer dans les mines souterraines. De ce fait, ce chapitre a comme but principal de démontrer les fondements des communications multi antennes et de dériver mathématiquement la capacité globale d’un système MIMO.

Modèle du système de communication MIMO 

Considérons un système MIMO composé de ny antennes à l’émission ainsi que nR antennes à la réception. Nous allons nous intéresser dans l ‘étude qui suit au modèle linéaire en bande de base. Les signaux transmis sur une période symbole seront représentés par le vecteur colonne ny x 1, x. on va représenter le iième symbole transmis par la iième antenne de l’émetteur par xi. Dans toute la suite on considèrera un canal gaussien. La matrice de covariance du signal transmis sera notée Rxx .

La diversité: Types et avantages 

La diversité est toute technique utilisée pour augmenter la capacité ou la fiabilité d’un système de transmission de données. Ceci est fait en transmettant les symboles sur différents canaux dans le but d’éviter la dégradation de la qualité du lien à cause de la présence des trajets multiples qui peuvent s’ajouter d’une manière destructive au niveau du récepteur. Dans la littérature, il existe une grande variété de techniques de diversité dont les pl us connues sont les suivants :

◆ Diversité temporelle : Elle consiste à transmettre le même symbole sur différents slots de temps. En effet, le canal ne peut pas être le sujet d’un long évanouissement. De ce fait, sur les différentes versions envoyées, il en existe nécessairement une qui est en bon état.
◆ Diversité fréquentielle : Cette méthode consiste essentiellement à émettre le message sur différents slots fréquentiels en même temps. Ceci est justifié par le fait que tout canal est sélectif en fréquence. Ainsi, le comportement du canal avec l’ensemble des fréquences ne sera pas le même à un instant donné. Par conséquent, au moins une fréquence sera reçue avec un excellent gain et qui est celle à utiliser pour extraire le message transmis. Cette technique consiste l ‘un des éléments clefs de l ‘OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) .
◆ Diversité de l’espace: Elle est mise en évidence en faisant la transmission du train de données sur plusieurs antennes à la fois. En effet, en choisissant une distance de séparation appropriée entre les antennes de l’ émetteur et du récepteur, on peut aboutir à des gains important en termes de rapport signal sur bruit et de capacité totale du canal. Il est à noter que nous allons nous intéresser à cette technique de diversité dans notre projet vu qu’elle est la clef derrière la découverte du potentiel des communications MIMO .
◆ Diversité de polarisation : Cette méthode nécessite la transmission des données sur antennes ayant des modes de polarisation différents.

En effet, on peut implémenter plus qu’une technique de diversité dans un système de communication pour pousser davantage son rendement vers les limites théoriques. A titre d’exemple, on peut citer que les standards LTE et WiMAX, i.e. IEEE 802.16 utilisent la diversité temporelle et fréquentielle dans sa méthode d’accès OFDMA.

Table des matières

CHAPITRE 1: INTRODUCTION GÉNÉRALE 
INTRODUCTION
1. IMPORTANCE DES COMMUNICATIONS SOUTERRAINES ET LIMITES DES TECHNOLOGIES FILAIRES
2. PROBLEMATIQUE: LIMITES DES SYSTEMES DE COMMUNICATIONS SANS FILS TRADITIONNELS
3. SOLUTIONS PROPOSEES
3.1. LATECHNOLOGIEMIMO
3.2. LE TRAITEMENT DANS LE DOMAINE ANGULAIRE :’ANGLE DOMAIN PROCESSING’
4. OBJECTIFS DU PROJET DE RECHERCHE
CONCLUSION
CHAPITRE 2: LES SYSTEMES DE COMMUNICATION MULTIPLE-INPUT MULTIPLE OUTPUT (MIMO)
INTRODUCTION
1. LE MODELE DU CANAL
2. LE CONCEPT DE DIVERSITÉ
2.1. LECANALMULTIPARCOURS
2.2. LA DIVERSITÉ: TYPES ET AVANTAGES
3. MODÈLE DU SYSTÈME DE COMMUNICATION MIMO
4. DÉRIVATION DE l’EXPRESSION DE LA CAPACITÉ DU CANAL MIMO
4.1. ÉTUDE DE CAS :CANAL NON CONNU À L’ÉMETTEUR
4.2. ÉTUDE DE CAS: CANAL CONNU À L’ÉMETTEUR :ALLOCATION ADAPTATIVE DE LA PUISSANCE, WATER-FILLING
5. RESULTATS DES SIMULATIONS
CONCLUSION
CHAPITRE 3: LES SYSTEMES A FAISCEAUX MULTIPLES 
INTRODUCTION
1. LES ANTENNES INTELLIGENTES
1.1. LES SYSTEMES RAYONNANTS ADAPTATIFS
1.2. LES SYSTEMES A FAISCEAUX COMMUTES
2. CIRCUITS DE SYSTÈMES À FAISCEAUX COMMUTÉS DANS LA LITTÉRATURE
2.1. LA MATRICE DE BLASS
2.2. LA MATRICE DE NOLEN
SI Page
2.3. LA MATRICE DE BUTLER
3. CONCEPTION DE LA MATRICE DE BUTLER
3.1. MATRICE DE BUTLER 2X2
3.2. MATRICE DE BuTLER 4×4
4. TRAITEMENT DANS LE DOMAINE ANGULAIRE: COMBINAISON DES MIMO AVEC LA MATRICE DE BUTLER
CONCLUSION
CHAPITRE 4 :TRAITEMENT ANGULAIRE DU SYSTÈME MIM0 
INTRODUCTION
1. DESCRIPTION DE L’ENVIRONNEMENT MINIER SOUTERRAIN : MINE LABORATOIRE CANMET
2. PRÉSENTATION DU SYSTÈME MIMO PROPOSÉ
3. PROTOCOLE DE MESURE
3.1. PROCÉDURE DE MESURE
3.2. ÉQUIPEMENTS DE MESURE
3.3. AUTRES PARAMÈTRES DÉTERMINANTS DANS LA PROCÉDURE DEMESURE EXPÉRIMENTALE
4. SCÉNARIOS DES TESTS
5. ANALYSE DES RÉSULTATS
5.1. PROFIL DE PUISSANCE ET RÉPONSE IMPU LSIONNELLE DU CANAL.
5.2. ANALYSE DE L’AFFAIBLISSEMENT DE PARCOURS (PATH LOSS)
5.2.1. CARACTÉRISATION DU PATH LOSS EN LOS
5.2.2. CARACTÉRISATION DU PATH LOSS EN N LOS
5.3. ANALYSE DE LA CAPACITÉ DU CANAL
5 .3.1. CAPACITÉ DU CANAL MIMO EN LOS
5.3.2. CAPACITÉ DU CANAL MIMO EN NLOS
5.4. FACTEUR DE RICE
6. SYNTHÈSE DES RÉSULTATS
CONCLUSION

Télécharger le rapport complet