Soutenance mémoire
Les systèmes de télécommunications mobiles
Les réseaux mobiles sont appelés communément réseaux cellulaires en référence à leur système de couverture radio organisée sous forme de plusieurs cellules de taille plus ou moins grande en fonctions des densités d’utilisateur. Chacune des cellules comptant un point d’émission appelé « station de base » et disposant d’un certain nombre de fréquences pour ces liaisons radios avec les terminaux mobiles qui lui sont associés. L’évolution des réseaux cellulaires a connue trois grandes étapes marquant les trois générations des terminaux mobiles.
1G : Première génération qui voit ses débuts vers la fin des années 70 et début des années 80. Fondée sur la technologie de multiplexage fréquentiel FDMA et utilisant des signaux analogiques, elle utilise des fréquences autour de 450 MHz ou de 900 MHz. A titre d’exemple, on peut citer la norme AMPS (Advanced Mobile Phone System) ou Radiocom 2000. L’avancée réalisée au niveau des terminaux les rendant moins encombrants – plus petits et moins lourds – a fait augmenté le nombre d’utilisateur saturant au passage certains réseaux ce qui a donné naissance à la deuxième génération.
2G : Deuxième génération arrivée sur le marché des télécoms au début des années 90, annonçant la fin de l’ère analogique et le début de l’ère numérique. Elle introduit également le multiplexage temporel TDMA en association au fréquentiel FDMA. Le passage au numérique a renforcer de manière significative la robustesse des transmissions et a permis d’ajouter l’envoi de données en plus de la voix (service commercial appelé SMS (Short Message Service). Les débits aussi ont connu une évolution importante passant de 9,6 kbit/s dans les débuts des années 90 à 171,2 kbit/s au début des années 2000. Ce dernier débit théorique a été annoncé après la mise en service des premiers réseaux GPRS et la transmission en mode paquet ce qui correspond à la génération 2+ appelée aussi 2.5G
Les autres réseaux sans fil
Parmi les autres normes de la technologie sans fils, on peut citer les réseaux suivant, classés du plus grand au plus petit en termes de portée et de taille de cellules : WMAN (Wireless Metropolitane Area Network). La norme la plus connue du réseau métropolitain sans fil est le WiMAX pour Worldwide Interoperability for Microwave Access. Le WiMAX regroupe des normes de réseaux sans fil précédemment indépendants : HiperMAN développé en Europe par l’ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ou encore le 802.16 développé par l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Il utilise plusieurs technologies de diffusion hertziennes destinées principalement à une architecture point à multipoint : un ou plusieurs émetteurs/récepteurs centralisés couvrent une zone où se situent de multiples terminaux. Le WiMAX propose des débits théoriques de l’ordre de 70 mégabits/seconde sur une zone de couverture portant sur quelques dizaines de kilomètres au maximum. WLAN (Wireless Local Area Network). Destiné à couvrir l’équivalent d’un réseau local d’une entreprise, d’une maison, ou d’un espace public : café, aéroport, etc. Tous les terminaux présents dans la zone de couverture peuvent être reliés entre eux. Il existe deux principales normes pour ce type de réseaux : le WiFi à 2.4 GHz et à 5 GHz. WiFi (Wireless Fidelity) fondé sur les normes IEEE 802.11. Il utilise la bande des 2.4 GHz, et présente des débits allant jusqu’à 11 Mbits/s en 802.11b et 54 Mbits/s en 802.11g sur une distance de plusieurs dizaines de mètres en intérieur et plusieurs centaines de mètres en extérieur. Quand au WiFi5, il répond à la norme IEEE 802.11a,opérant dans la bande des 5 GHz et offrant des débits théoriques de l’ordre de 50 Mbits/s pour une portée de 10 m environ. Dans cette même bande des 5 GHz opère aussi le réseau HiperLAN2 (High Performance Radio Local Area Network 2.0), norme européenne élaborée par l’ETSI utilisant l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) et permettant d’obtenir un débit théorique de l’ordre de 50 Mbits/s comme pour le WiFi5 mais pour une portée de plusieurs dizaines de mètres. WPAN (Wireless Personal Area Network) les réseaux personnels sont représentés par les applications du type : Bluetooth, ZigBee. De faible portée, allant de quelques mètres à quelques dizaines de mètres seulement, ces applications sont destinées à relier un équipement principal à ses équipements périphériques se trouvant dans un même environnement : une unité centrale d’un ordinateur avec l’ensemble (écran, clavier, imprimante, etc.) ou un terminal PDA et une oreillette. Les deux technologies citées opèrent dans la bande des 2.4 GHz, le Bluetooth présentant un débit d’1 Mbit/s dans sa version 1.2 sortie en Novembre 2003, puis un débit jusqu’à 3 Mbits/s dans sa version 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) adoptée en Novembre 2004 avec des portées de quelques mètres [10], alors que ZigBee – norme IEEE 802.15.4 – permet d’obtenir des débits autour de 250 Kbits/s avec une portée maximale de plusieurs dizaines de mètres [11]. Ces réseaux personnels peuvent être très affectés par la présence des perturbateurs proches. Typiquement, l’exemple de la connexion Bluetooth entre l’oreillette et le téléphone subit l’influence de la personne. Cette catégorie est appelée réseaux WBAN pour Wireless Body Area Networks.
Types d’antennes
Les premiers terminaux destinés à la téléphonie mobile furent équipés d’antennes dipôles λ/2, monopôles λ/4 ou d’antennes hélicoïdales [15]. Ces dernières permettent d’avoir une réduction de taille allant jusqu’à λ/10 sachant qu’elles possèdent une résonnance à λ/4. Dans un deuxième temps, d’autres types d’antennes ont été développées pour la téléphonie mobile comme les ILA (Inverted-L Antenna), IFA (Inverted-F Antenna) et les patchs micro-ruban [16], mais rapidement un type d’antennes est devenu la norme pour les terminaux mobiles : les PIFA (Planar Inverted-F Antenna) [17,18]. Afin de suivre les évolutions des terminaux, plusieurs techniques ont été établies pour élargir les bandes passantes des antennes et réduire leurs tailles [19]. Le principe de base est d’influencer les courants en les forçant à parcourir des chemins plus longs pour allonger ainsi les longueurs d’onde électriques. Pour ce faire, il est possible d’optimiser la forme de l’élément rayonnant [20,21], ou d’introduire des méandres [22,23]. Il est important de signaler que la perturbation des parcours du courant conduit souvent à une dégradation du rendement et à une augmentation du niveau de la polarisation croisée ce qui peut constituer un avantage dans certaines applications mobiles où la réception se fait dans les deux types de polarisation verticale et horizontale [24]. Une autre technique largement utilisée pour la miniaturisation des antennes consiste àrelier l’élément rayonnant au plan de masse à travers un plan, une languette ou un fil conducteurs. L’ajout de ce court-circuit produit un effet selfique – dont la valeur dépend de sa forme et de son positionnement par rapport au point d’alimentation – améliorant l’adaptation en résonant avec la capacité de l’élément rayonnant. Parfois, les techniques de miniaturisation permettent également l’élargissement de la bande passante. En effet, pour élargir les bandes passantes ou pour couvrir de nouvelles bandes, plusieurs solutions sont possibles comme l’ajout d’éléments parasites entre le plan de masse et l’élément rayonnant, l’ajout de fente pour créer de nouvelles résonnances, le chargement capacitif ou inductif etc. Ces techniques permettent d’optimiser l’adaptation et la largeur de la bande passante d’une part et d’influencer les parcours du courant en vue d’une réduction de la taille des antennes d’autre part. Naturellement, il est possible de combiner plusieurs techniques à la fois, ce qui a été le cas pour faire évoluer les antennes des terminaux portables particulièrement les antennes PIFA [25, 26]. Pour les antennes patchs, il est possible d’allonger la longueur des chemins du courant en choisissant un substrat avec une grande permittivité relative. La fréquence de résonnance étant inversement proportionnelle à la racine carrée de la permittivité effective. Ces techniques ont grandement participé à l’évolution des terminaux destinés aux applications sans fils répondant ainsi à la demande croissante en bande passante tout en réduisant la taille des terminaux. Si la théorie semble simple, il n’est pas toujours facile d’appliquer ces techniques surtout pour des antennes comme les PIFA qui parfois peuvent présenter des structures relativement fragiles. Ainsi, il est nécessaire de valider ces études d’optimisations par des mesures complètes de l’ensemble des performances des antennes La mesure prend une grande place dans le domaine des radiofréquences en général et les antennes en particulier. En effet, malgré le net avancement des outils de simulations, l’étape des tests de mesure demeure indispensable pour la validation des performances d’une antenne.
Antenne Dual bandes DB
L’antenne DB (Dual Band) proposée par Kin-Lu Wong et al [18] est un monopole planaire réalisé sur un substrat FR4 d’épaisseur h = 0.4 mm et de permittivité εr = 4.4 ayant une longueur L = 100 mm et une largeur W = 30 mm ce qui délimite la taille totale de l’antenne et lui donne une forme intégrable dans les terminaux de téléphones mobiles. L’antenne rayonne grâce à un patch rectangulaire de dimensions 10×30 mm² alimentée par une ligne 50 Ω. Afin de créer deux résonances aux fréquences GSM et UMTS, une fente à été introduite à l’intérieure de l’élément rayonnant le divisant ainsi en deux sous patchs : un premier patch intérieur court qui donne la résonance aux fréquences hautes GSM 1800 MHz et UMTS 2050 MHz et un deuxième entourant le premier et faisant parcourir au courant un chemin plus long pour avoir la résonance à 900 MHz. Plus de détails sur l’antenne peuvent être retrouvés dans la référence
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction
1.1 Les principales normes des réseaux sans fils
1.1.1 Les systèmes de télécommunications mobiles
1.1.2 Les autres réseaux sans fil
1.2 Antennes et perturbateurs
1.2.1 Types d’antennes
1.2.2 Méthodes de mesures d’antennes
1.2.3 Type de perturbateurs
1.3 Contexte et objectifs de la thèse
1.3.1 Projet URC, Radio Cognitive
1.3.2 Modélisation statistiques des antennes
1.3.3 Objectifs de la thèse
1.4 Conclusion
Chapitre 2 : Méthodologie et approche statistique
2.1 Méthodologie
2.1.1 Introduction
2.1.2 Démarche
2.2 Présentation des antennes et scénarios
2.2.1 Antennes
2.2.2 Scénarios
2.3 Effet des perturbateurs proches
2.3.1 Outils de simulations
2.3.2 Effet sur le coefficient de réflexion S11
2.3.3 Effet sur le rayonnement
2.4 Variables et approches statistiques
2.4.1 Le rapport de bande (Bandwidth Ratio) BR
2.4.2 Le décalage fréquentiel relatif (Relative Frequency Shift RFS)
2.4.3 Les variations relatives des rendements
2.5 Conclusion
Chapitre 3 : Interactions « Dipôles – Têtes »
Introduction
3.1 Etude paramétrique en simulation
3.1.1 Effets sur le coefficient de réflexion
3.1.2 Effets sur les rendements
3.1.3 Effets sur le diagramme de rayonnement
3.2 Etude statistique et corrélations
3.2.1 Les rendements
3.2.2 Rappels sur la loi GEV
3.2.3 Diagrammes de rayonnement
3.3 Conclusion
Chapitre 4 : Interactions « Antennes – Têtes »
4.1 Introduction
4.2 Etude comparative « Antennes, Dipôles »
4.2.1 Résultats des simulations « Antennes – Tête »
4.2.2 Comparaison des modèles statistiques des rendements
4.2.3 Diagrammes simulés
4.3 Campagnes de mesures (Téléphones portables)
4.3.1 Mesure du coefficient de réflexion
4.3.2 Etude statistique du rendement d’adaptation
4.3.3 Interprétation des résultats
4.3.4 Diagrammes mesurés
4.4 Conclusion
Chapitre 5 : ULB et communications haut débit
5.1 Introduction, état de l’art et applications visées
5.1.1 Rappels sur l’ULB
5.1.2 Communications haut débit
5.2 Antennes ULB
5.3 Scénarios et Campagne de mesure
5.3.1 Scénarios des mesures de coefficients de réflexion
5.3.2 Scénarios des mesures de rayonnement
5.4 Effets de l’intégration et Approche de la modélisation
5.4.1 Effets sur la bande et sur le rendement d’adaptation
5.4.2 Effets sur le diagramme
5.5 Conclusion
Conclusion générale et perspective
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