ORTHOGONAL FREQUENCY-DIVISION MULTIPLEXING (OFDM)

ORTHOGONAL FREQUENCY-DIVISION MULTIPLEXING (OFDM)

PERFORMANCES DU SYSTÈME MIMO-OFDM À 60 GHZ

Un signal radio qui se propage le long des galeries d’une mine souterraine est sujet à des réflexions, diffractions ainsi qu’à des diffusions [ 18] . Ces phénomènes, dus à la nature de l’environnement minier très complexe et dense, font des mines souterraines un environnement particulier, très diffèrent des environnements indoor conventionnels [2]. Par conséquence, les systèmes de communications utilisés en surface ne peuvent pas être implémentés dans les mines de manière directe [2]. Les communications dans les mines souterraines nécessitent de plus en plus de débit de communication [3]. Une solution, pour répondre à cette demande croissante, est l’exploitation de la bande millimétrique. En fait, Il a été déjà démontré que les systèmes opérant dans les bandes millimétriques offrent des débits de communications
de plusieurs gigabits. Ce qui a attiré l’attention des chercheurs à la bande de 60 GHz est la largeur de la bande disponible qui s’étale sur 7 GHz de bande couvrant les fréquences allant de 57 GHz jusqu’à 64 GHz. Ceci a fait de cette bande un candidat pour les futurs systèmes de communications de la 5G [19, 20]. Cependant, le canal radio à 60 GHz présente certains défis qui restent à surmonter tels que la dispersion temporelle ainsi que la sélectivité fréquentielle du canal. Toutefois, l’inconvénient majeur reste l’atténuation sévère due à l’absorption de l’oxygène [21]. Cette atténuation est estimée à 15 dB par kilomètre [22]. Certaines études faites dans le but de caractériser le canal minier à 60 GHz, proposent l’utilisation d’antennes directives pour compenser l’affaiblissement de la propagation [3, 23]. La technologie MIMO-OFDM est la combinaison de la configuration OFDM, quipermet de convertir le canal minier large bande à 60 GHz en plusieurs sous-canaux à évanouissement plat, et de la technique MIMO. Cette dernière profite des trajets
multiples pour créer de la redondance de 1 ‘information, augmentant ainsi, la robustesse du système de transmission, et étendant la couverture radio du système de communication sans-fil à 60 GHz. Dans le présent chapitre, nous présentons les performances du système de communication MIMO-OFDM opérant dans la bande de 60 GHz, à travers un canal minier.

Compagne de mesures

La compagne de mesure est effectuée dans une ancienne mine d’or située dans le nord du Québec, au CANADA. La mine s’appelle le Centre canadien de la technologie des minéraux et de l’énergie (CANMET). L’analyse du canal est faite à l’aide d’un analyseur de réseau (VNA, Anritsu VectorStar MS4640B). Le système de mesure est composé des éléments suivants :
a) Deux antennes émettrices et deux antennes réceptrices : les antennes utilisées sont de type antenne cornet, dont les principales caractéristiques sont données dans le tableau 4.1
b) Amplificateur de puissance: Le gain de l’amplificateur est de 30 dB. Il est utilisée en émission pour compenser les pertes de puissance dans les câbles de connections.
c) Amplificateur à faible bruit : utilisé en réception pour amplifier le signal reçu avec le niveau du bruit le plus faible possible.
d) Analyseur de réseau : Il permet de mesurer les paramètres S de l’environnement minier, compris entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice. Durant la compagne des mesures, les antennes sont maintenues à une hauteur fixe de 1.5 m. La puissance d’émission est réglée à 10 dBm. L’émetteur reste en position fixe tandis que le récepteur est déplacé, à chaque fois, loin du récepteur, avec un pas de 1 m. Les mesures sont effectuées à des distances émetteur-récepteur, allant de 1 rn à 10 m. Un scenario de visibilité directe (LOS) est considéré dans notre travail. Un laser est utilisé durant les mesures pour assurer la présence permanente d’une visibilité directe entre l’émetteur et le récepteur. L’analyse du canal s’est faite dans le domaine fréquentiel. Pour ce faire, à chaque distance émetteur-récepteur donnée, l’analyseur de réseau balaye la bande de
fréquences 57-64 GHz avec un pas de 0.5 MHz.

Caractérisation du canal à 60 GHz

Comme indiqué précédemment, les mesures sont fournies sous forme de paramètres-S. Ceci implique que la fonction de transfert du canal correspond au paramètre S21 . Il s’ensuit que la réponse impulsionnelle du canal est calculée à partir de ce dernier, en lui appliquant simplement la Transformée de Fourier Rapide (FFT). Un exemple de la réponse impulsionnelle du canal minier à 60 GHz, mesurée à une distance de 5 rn, est montré dans la Fig.4.2. Le pas fréquentiel du balayage est 0.5 MHz et la bande balayée est de 7 GHz, ce qui nous permet de visualiser les réponses impulsionnelles avec une résolution de 0.1486 ns sur une durée totale de 200 ns.

Dispersion moyenne du retard (RMS delay spread)

La dispersion moyenne du retard est le paramètre le plus communément utilisé pour décrire la dispersion temporelle causée par le canal radio [24]. L’estimation de ce paramètre nous permettra de choisir la longueur de l’intervalle de garde approprié pour éliminer l’effet de dispersion et, par conséquence, minimiser les interférences inter symboles.Avant d’appliquer la formule (4.2), nous avons effectué un prétraitement sur les réponses impulsionnelles. D’abord, le niveau moyen du bruit est estimé à -133 dB.Ensuite, cette valeur est choisie comme seuil. Les valeurs de la réponse impulsionnelle inferieures à cette valeur sont éliminées et ne sont pas prises en compte lors du calculde la dispersion moyenne du retard. De cette manière, nous minimisons les erreurs introduites par le bruit dans nos calculs tel qu’indiqué dans .

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Table des matières

LISTE DES ABRÉVIATIONS, SIGLES ET ACRONYMES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
RÉSUMÉ
ABS TRACT
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1. ORTHOGONAL FREQUENCY-DIVISION MULTIPLEXING (OFDM)
1.1 Introduction
1.2 Principe de l’OFDM
1.2.1 Orthogonalité
1.2. 2 Modulation et Démodulation OFDM
1. 3 Intervalle de garde
1.3.3 Préfixe cyclique (CP)
1.3.4 Zero Padding (ZP)
1.4 Bande de garde
1. 5 Les pilotes
1.5.5 Les pilotes en bloc
1.5.6 Les pilotes en peigne
1.5.7 Les pilotes en treillis
1.6 Schéma bloc d’un Système OFDM
1.7 Avantages et inconvénients de l’OFDM
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 SYSTÈME À ENTRÉES MULTIPLES, ET À SORTIES MULTIPLES (MIMO)
201 Introduction
202 Capacité d’un canal MIMO
20201 Capacité dans le cas déterministe
20202 Capacité dans le cas d’un canal aléatoire
203 Les teclmiques MIMO
20303 Teclmiques de diversité
203.4 Teclmiques de Multiplexage
20305 Teclmiques de formation de faisceaux (Beamforming) et antennes
intelligentes
204 MIMO-OFDM
2.406 Schéma block d’un système MIMO-OFDM
2040 7 Capacité
205 Conclusion
CHAPITRE 3 PERFORMANCES DU SYSTÈ ME MIMO-OFDM À 2.4 GHZ
302 Compagne de mesures
303 MIMO-OFDM sous M ATLAB
3.4 Simulations et résultats
3.401 Partie I: SISO-OFDM à 2.4 GHz
3.40 2 Partie II: STBC-OFDM à 2.4 GHz
305 Conclusion
CHAPITRE 4 PERFORMANCES DU SYSTÈME MIMO-OFDM À 60 GHZ
4.1 Introduction
4.2 Compagne de mesures
4.3 Caractérisation du canal à 60 GHz
4.3.1 Dispersion moyenne du retard (RMS delay spread)
4.4 Bande de cohérence
4.5 Simulation du système MIMO-OFDM à 60 GHz
4. 6 Résultats de simulation pour le système MIMO-OFDM à 60 GHz
4.6.2 Simulation 1 :Variation de la longueur de l’intervalle de garde
4.6.3 Simulation 2: Variation de la taille de la FFT
4.6.4 Simulation 3: STBC-OFDM vs. SISO-OFDM à 60 GHz .
4. 7 Conclusion
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES ET BIBLIOGRAPHIE