Modélisation du bruit impulsionnel dans le contexte des antennes multiples

Modélisation du bruit impulsionnel dans le contexte des antennes multiples

INTRODUCTION

Pour assurer la fiabilité du réseau électrique, les compagnies d’électricité tel que Hydro-Quebec collectent l’information en temps réel de l’état du réseau et de ses équipements. Ceci permet au personnel de suivre l’état du réseau et d’effectuer des interventions. Des réseaux de communication sont déployés dans les postes électriques pour exécuter les différentes fonctionnalités.
Toutefois, les postes électriques sont des milieux particuliers. Ces milieux sont caractérisés par la présence concentrée de structures métalliques et par l’existence de plusieurs sources de perturbations électromagnétiques. Ces perturbations sont causées généralement par le fonctionnement des appareils et par la tension élevée véhiculée. Une partie significative de ces perturbations prend la forme de bruit impulsionnel. Ceci rend le déploiement des technologies sans fil problématique. En effet, les bruits sont habituellement considérés comme étant Gaussiens.
Les récepteurs correspondants sont connus et bien développés. Cependant, utiliser ces récepteurs directement dans l’environnement de poste électrique risque d’aboutir à des performances en dessous des espérances. En effet, le bruit impulsionnel ne peut être considéré comme du bruit Gaussien et doit être traité différemment. Les causes, les effets et les moyens de traitement de ce bruit particulier doivent être identifiés afin d’assurer une communication plus fiable. Plusieurs modèles de bruit impulsionnel ont été proposés. Le développement de techniques de traitement de ce type de bruit est devenu possible. Ceci nous ramène à notre objectif principal qui est l’étude et le développement des techniques pour lutter contre les bruits impulsionnels dans le contexte des systèmes de communication sans fil dans les postes à haute tension.

 Codage et décodage canal

Le canal de transmission n’étant pas parfait, les signaux transmis subissent des distorsions causées par les interférences, le bruit et les phénomènes de propagation. Le codage canal est appliqué pour réduire les effets de ces distorsions en ajoutant des bits de redondance et en appliquant des règles de combinaison sur les bits d’information. Sachant la loi de codage utilisée, le décodeur canal du récepteur soustrait les bits de protection et corrige certaines erreurs.
Parmi les méthodes de codage canal, on cite : le codage de Hamming (Hamming, 1950), les turbos codes (Berrou et al., 1993), etc. Le codage canal permet une communication plus fiable mais avec une augmentation de l’utilisation de la largeur de bande. Toutefois, le gain de codage compense cette sur-utilisation.

 Modulateur et démodulateur

Pour que les séquences binaires à la sortie du codeur canal puissent être transmises, il faut les convertir en des ondes de transmission. Cette opération est effectuée par le modulateur. Les bits sont regroupés dans des symboles, chaque symbole prend une forme d’onde l’identifiant d’une façon unique. Plusieurs types de modulations peuvent être effectués, notamment la modulation par déplacement d’amplitude (Amplitude-shift keying (ASK)), la modulation par déplacement de fréquence (Frequency-shift keying(FSK)) et la modulation par changement de phase (Phase shift keying PSK).

 Canal de transmission

Un canal de transmission véhicule le signal physique de la source à une destination. Dans une communication sans fil, le signal est une onde électromagnétique. L’onde propagée dans le canal est susceptible de subir des perturbations aléatoires sous plusieurs formes : atténuations,déphasage, multi-chemin ce qui mène au phénomène d’évanouissement du signal. Ces phénomènes sont classifiés suivant deux catégories : les évanouissements à grande échelle et les évanouissements à petite échelle.

 Diversité temporelle

La diversité temporelle se manifeste dans le cas d’un canal sélectif en temps. Une façon d’appliquer cette diversité est d’appliquer l’entrelacement. Les symboles d’un même mot de code sont envoyés à des instants séparés au minimum par le temps de cohérence, ainsi chaque symbole voit une réalisation différente du canal.

 Diversité fréquentielle

La diversité fréquentielle se manifeste dans le cas d’un canal sélectif en fréquence. Pour exploiter cette diversité, le même signal est transmis sur différentes fréquences. Pour avoir des évanouissements indépendants pour chaque signal transmis, les fréquences utilisées doivent être séparées d’un intervalle au moins égal à la bande de cohérence Bc.

 Diversité spatiale

Contrairement aux diversités temporelle et fréquentielle, la diversité spatiale ne nécessite pas la répétition du signal à transmettre. En effet, la diversité spatiale est obtenue lorsque le transmetteur et/ou le récepteur disposent de plusieurs antennes. Si les antennes sont suffisamment espacées, le canal peut présenter des évanouissements indépendants sur chacun des trajets. La distance minimale de séparation entre les antennes dépend de la fréquence et de l’environnement de propagation. Les systèmes à multi-antennes sont des outils qui permettent d’exploiter les multi-trajets et d’augmenter la capacité du système ainsi que sa couverture (Andrea, 2005).
La combinaison des différents signaux reçus sur chaque antenne permet d’avoir un meilleur rapport signal à bruit (Signal to Noise Ratio SNR) et un meilleur taux d’erreur binaire (TEB).

BRUITS ET INTERFÉRENCES ÉLECTROMAGNÉTIQUES

 Concepts du bruit et des interférences : généralités

Un bruit peut être définit comme « toute énergie électrique ou électromagnétique non désirable qui s’ajoute au signal transmis et qui est inutile pour la reproduction du message original » (Vaseghi, 2006). Vu que le support de transmission sans fil est exposé directement au milieu externe, les signaux transmis sont plus difficiles à isoler et à protéger. La possibilité de superposition des bruits et des interférences ainsi que leurs impacts sont plus sévères que ceux observés dans les communications filaires.

 Les bruits et les interférences dans les postes électriques à haute tension

L’environnement des postes électriques à haute tension est caractérisé par l’omniprésence de bruits impulsionnels sous la forme de fortes interférences électromagnétiques. Ces interférences sont causées par divers phénomènes physiques. Par exemple, le passage du courant électrique au long des lignes de transport peut créer des bruits, généralement plus intenses que le bruit thermique, qu’on appelle bruit de cavité et bruit par effet couronne. L’apparition de ces phénomènes résulte généralement d’une tension électrique élevée. Aussi, le dysfonctionnement des isolateurs peut provoquer l’apparition de bruit suite aux décharges partielles.

 Bruit de couronne et bruit de cavité

Les lignes de transport sont sujettes aux perturbations causées par le milieu externe tels que les conditions météorologiques (pluie, température, neige, etc.) ou causés par la présence des insectes sur les lignes de transport. Ces perturbations engendrent une augmentation du champ électrique local. Si cette augmentation atteint un certain seuil l’air devient ionisé et les électrons passent du conducteur vers les zones voisines ce qui créé un court circuit électrique appelé bruit de couronne.

 Décharges partielles

Les équipements électriques sont composés d’un isolateur et d’un conducteur. L’isolateur a pour rôle d’isoler électriquement le conducteur afin d’éviter le passage des électrons d’un conducteur à un autre. Cependant, il peut avoir des imperfections dans l’isolant de type solide ou des bulles d’aires dans l’isolant de type liquide. Sous l’effet d’une tension élevée, l’isolant peut devenir défectueux pour une courte durée. Le résultat est l’émission de radiations causées par la production du phénomène de décharge partielle.

 Les mesures des bruits impulsionnels

Comme nous avons vu dans les paragraphes précédents, les postes électriques à haute tension sont des environnements spéciaux caractérisés par la présence de bruit impulsionnel. Afin de concevoir un réseau de communication sans fil performant, il faut bien caractériser cet environnement.
Plusieurs compagnes de mesures ainsi que des tests en laboratoires ont été élaborés pour identifier les caractéristiques du bruit observé dans ces milieux (Pakala et Chartier, 1971; Pakala et al., 1968; Sacuto et al., 2012; Au et al., 2013). Dans les prochaines sections, nous présentons les caractéristiques des bruits impulsionnels observés lors de mesures effectuées dans un laboratoire et dans des postes électriques à haute tension.

CONCLUSION

Les postes électriques à haute tension se distinguent par un environnement RF particulier. Ce dernier est gouverné par divers types d’interférences électromagnétiques dont les plus importantes se présentent sous forme de bruits impulsionnels. Ces interférences ne peuvent être considérées comme des bruits Gaussien et doivent être traitées autrement. Dans la première partie de ce rapport, nous avons présenté les causes, les effets ainsi que les paramètres qui engendrent le bruit impulsionnel. Les causes principales étant les décharges partielles. Ces phénomènes sont le résultat des défaillances temporaire des isolateurs des appareils. Ils génèrent des fortes impulsions électromagnétiques. Ces impulsions se caractérisent par un temps et une durée d’apparition aléatoires. Les travaux s’intéressant à la modélisation du bruit impulsionnel considèrent généralement des modèles statistiques. Parmi ces modèles on trouve le modèle de Middletton Class A et les distributions Alpha Stable. Les échantillons du bruit générés par ces deux modèles sont considérés indépendants. Cependant, tels qu’observés par les mesures, l’apparition d’une impulsion affecte plusieurs échantillons successifs. De ce fait, nous avons considéré dans ce travail l’utilisation de la modélisation physique des phénomènes derrière l’apparition des impulsions dérivée par (Au et al., 2015a) pour avoir une représentation plus adéquate. En effet, ce modèle permet de générer des échantillons de bruits avec une certaine corrélation tel qu’observé dans les mesures réelles.

Table des matières

1.1 Introduction 
1.2 Codage et décodage source
1.3 Codage et décodage canal
1.4 Modulateur et démodulateur
1.5 Canal de transmission
1.5.1 Les évanouissements à grande échelle
1.5.2 Les évanouissements à petite échelle
1.5.3 Sélectivité et cohérence du canal
1.5.4 Modélisation statistique du canal sans fil
1.6 Techniques de diversité

1.6.1 Diversité temporelle
1.6.2 Diversité fréquentielle
1.6.3 Diversité spatiale
1.7 Conclusion 
CHAPITRE 2 BRUITS ET INTERFÉRENCES ÉLECTROMAGNÉTIQUES
2.1 Introduction 
2.2 Concepts du bruit et des interférences : généralités 
2.2.1 Le bruit blanc Gaussien (BBG)
2.2.2 Les bruits non Gaussiens de type impulsionnel
2.3 Les bruits et les interférences dans les postes électriques à haute tension
2.3.1 Bruit de couronne et bruit de cavité
2.3.2 Décharges partielles
2.3.3 Les mesures des bruits impulsionnels
2.3.3.1 Mesures expérimentales des bruits impulsionnels dans
les laboratoires
2.3.3.2 Les mesures des bruits et des interférences dans des
postes électriques à haute tension
2.4 Modélisation des bruits impulsionnels : Revue de littérature
2.4.1 Le modèle de mélange Gaussien (Gaussian Mixture Models
GMM)
2.4.2 Le modèle de Middleton
2.4.3 Le modèle Alpha stable symétrique
2.4.4 Les modèles de chaines de Markov
2.4.5 Modèle physique de (Au et al., 2015a)
2.4.6 Comparaisons des modèles
2.5 Conclusion 
CHAPITRE 3 TECHNIQUES ET MÉTHODES DE RÉDUCTION DES
BRUITS IMPULSIONNELS DANS LES SYSTÈMES DE
COMMUNICATION SANS FIL
3.1 Introduction 
3.2 Les récepteurs optimaux et sous optimaux pour les milieux corrompus par
les bruits impulsionnels 
3.2.1 Récepteurs optimaux et sous-optimaux
3.2.1.1 Récepteur MCA
3.2.1.2 Récepteur SαS
3.2.1.3 Récepteurs avec seuillage
3.2.2 Réduction des bruits impulsionnels par estimations itératives du
bruit
3.2.3 Évaluation des performances des récepteurs optimaux et sousoptimaux

3.3 Conclusion 
CHAPITRE 4 UTILISATION DES ANTENNES MULTIPLES POUR LA
RÉDUCTION DU BRUIT IMPULSIONNEL
4.1 Introduction 
4.2 Modélisation du bruit impulsionnel dans le contexte des antennes multiples
4.2.1 Approche mathématique
4.2.2 Approche physique
4.3 Hypothèse 1 : Interférences indépendantes sur les antennes réceptrices
4.3.1 Description du modèle
4.3.2 Le récepteur MRC
4.3.3 Le récepteur PDC
4.3.4 Simulations et discussions
4.4 Hypothèse 2 : Interférences dépendantes sur les antennes réceptrices 
4.4.1 Modèle du système
4.4.2 Le récepteur proposé
4.4.2.1 Deux antennes à la réception
4.4.2.2 Plusieurs antennes à la réception
4.4.3 Simulations et discussions
4.5 Conclusion
CONCLUSION 

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