Soutenance mémoire
Radio impulsionnelle UWB
La radio impulsionnelle ultra-large bande (ULB), ou ultra-wide band (UWB) en anglais, a été introduite en 1993, lors de la publication des travaux de Robert Scholtz dans la conférence Milcom [1]. Cependant, l’utilisation de l’impulsion pour la transmission de l’information est bien antérieure à cette date. En effet, la radio impulsionnelle trouve ses fondements dans les principes des systèmes radars, avec entre autres la parution dans les années 70 de publications sur les travaux de Harmuth et Ross portant sur le rayonnement d’impulsions électromagnétiques [2], [3]. A travers ce chapitre nous parcourons les bases de la radio impulsionnelle. Après un bref historique sur les origines de l’UWB et son introduction dans le monde des radiocommunications, nous présentons la réglementation qui la régit dans les principaux pays, puis nous terminons par les fondements de cette technologie.
Présentation de l’UWB
Définition du signal UWB
La notion de signal ultra large bande s’oppose à celle de signal bande étroite. En bande étroite, le signal peut être émis de façon continue ou non, et toute sa puissance est contenue dans une portion étroite du spectre. A l’opposé, le signal UWB occupe une très grande largeur de bande. Dans la littérature, un signal est dit UWB s’il satisfait l’une des conditions suivantes :
– une largeur de bande relative à -10 dB > 20 % de la fréquence centrale
– une largeur de bande absolue à -10 dB > 500 MHz .
Cependant, cette définition du signal UWB est assez large, il est donc possible de satisfaire de diverses manières les conditions définies ci-dessus et on distingue entre autres les moyens suivants :
– la radio impulsionnelle (UWB-IR ) qui consiste à émettre en bande de base un signal de faible rapport cyclique constitué d’impulsions de très courte durée. Cela donne naturellement une grande largeur de bande au signal car avec une durée inférieure à 2ns le critère sur la largeur de bande absolue est vérifié.
– la modulation sur des rampes de fréquence (chirp modulation) utilisée pour la conception des radars.
– l’étalement de spectre à séquence directe (DS-SS ) qui utilise une séquence de code pseudo-aléatoire d’étalement dont le débit et la fréquence permettent de satisfaire les conditions de définition d’un signal UWB.
– le MB-OFDM qui est une approche à bandes multiples, et qui utilise la subdivision du spectre FCC en 14 bandes partielles de 528MHz chacune. Dans chaque bande partielle, le signal OFDM est réparti dans 100 porteuses à bande étroite modulée chacune en BPSK ou QPSK . Cette configuration favorise une flexibilité du spectre radio car pour limiter les interférences dans une bande définie, il est possible d’interdire une ou plusieurs porteuses.
La gestion des utilisateurs multiples s’effectue par l’attribution de bandes partielles, et dans un groupe de bandes partielles, les utilisateurs sont gérés par une technique de codes temps-fréquence. La communication d’un utilisateur est ainsi régulée avec un passage régulier d’une bande à une autre selon un cycle d’environ 1µs et le passage d’une bande à l’autre est défini par le code temps fréquence propre à chaque utilisateur [5].
Historique de l’UWB
L’histoire de l’UWB est à associer à l’utilisation d’impulsions dans le domaine temporel qui débuta il y a une cinquantaine d’années, avec les premières recherches autour des applications radars. Ainsi, la terminologie UWB désigne au départ des formes d’onde sans porteuses (carrier-free) faites d’impulsions de durée très courte (<ns). En effet, un système a sa résolution en distance qui est inversement proportionnel à sa largeur de bande ; de fait, la brièveté du signal radar détermine la largeur de son spectre. Ainsi dans les années 60, du fait de leurs bonnes propriétés de résolution spatiale, les radars à impulsion ont connu un fort intérêt de la part des armées américaine et soviétique.
Dans les années 70, Bennett et Ross présentent une étude complète des premières recherches réalisées sur l’UWB [6]. Un peu plus tard, Taylor présentera le résultat de ses travaux sur les fondements de la technologie UWB appliquée au radar [7]. En 1990, le département de la défense du gouvernement des Etats-Unis a publié les résultats de son évaluation de la technologie UWB, qui s’est concentrée exclusivement sur les systèmes radar, étant donné qu’aucune application de l’UWB aux systèmes de communication n’était alors envisagée [8]. Par la suite, la recherche s’est concentrée sur les signaux UWB à des fins de communication radio, notamment avec les travaux de Scholtz [1] qui mettent en avant les principales caractéristiques de cette technique : une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde due à la largeur de la bande de fréquences, un faible rapport cyclique permettant des approches de type saut temporel et la gestion des usagers multiples, ainsi qu’une transmission possible sans porteuse qui simplifie l’architecture des systèmes radio.
Règlementation de l’UWB
Suivant les régions du globe, des disparités notables apparaissent concernant la répartition du spectre des radiofréquences pour l’UWB. Chaque pays ou région a établi sa propre réglementation de l’UWB, en fonction des critères de coexistence définis pour prévenir les interférences sur les systèmes déjà existants. Pionniers de la recherche dans le domaine, les États-Unis ont été les premiers à adopter une normalisation sur l’UWB.
Réglementation aux Etats-Unis
En 1998, la Federal Communications Commission (FCC), organisme chargé de la régulation du spectre non militaire aux Etats-Unis, a entamé le processus de régulation de l’UWB. Lors de ce processus qui s’est achevé en février 2002, la FCC a consenti l’UWB pour les applications dans les domaines suivants :
– Les systèmes d’imagerie (radars à pénétration terrestre-GPR, les radars à pénétration dans ou à travers les murs, les dispositifs de surveillance et d’imagerie médicale)
– Les radars de véhicules
– Les communications (la voix, la vidéo et les transmissions de données de courte portée) .
Au terme de son étude qui a duré près de 4 ans, la FCC a établi une série de gabarits qui définissent les limites en puissance d’émission pour chaque catégorie d’applications. Pour les Etats-Unis ainsi que les autres régions, nous nous intéresserons principalement au masque d’émission pour les communications. Pour adresser le domaine des communications, la FCC a retenu deux bandes de fréquences non soumises à licence, notamment les fréquences inférieures à 900MHz et celles comprises entre 3.1GHz et 10.6GHz[9]. Pour la bande de fréquences de largeur 7.5GHz ([3.1 − 10.6] GHz), la FCC autorise une puissance EIRP moyenne de -41.3dBm/MHz (cela équivaut environ à 74nW/MHz) . De plus, la valeur de la puissance crête pour une bande de 50MHz est définie à 0dBm ; la puissance crête maximale est définie ici comme la puissance intégrée dans la bande de fréquence 50MHz, centrée sur la fréquence à laquelle le maximum de puissance est rayonné.
|
Table des matières
Introduction générale
I Contexte et état de l’art
1 Radio impulsionnelle UWB
1.1 Introduction
1.2 Présentation de l’UWB
1.2.1 Définition du signal UWB
1.2.2 Historique de l’UWB
1.2.3 Règlementation de l’UWB
1.2.4 Intérêt de l’UWB
1.2.5 Conclusion
1.3 Principe de la radio impulsionnelle ultra large bande : UWB-IR
1.3.1 Impulsion élémentaire
1.3.2 Modulations associées à l’UWB-IR
1.3.3 Accès multiple au canal
1.4 Systèmes d’émission UWB-IR
1.4.1 Emetteur UWB
1.4.2 Génération d’impulsions UWB
1.5 Réception des signaux UWB-IR
1.5.1 Récepteur cohérent
1.5.2 Récepteur à détection d’énergie
1.5.3 Récepteur à transmission de référence
1.5.4 Conclusion
1.6 Couche physique IEEE802.15.4a-2007
1.7 Conclusion
2 Body Area Networks
2.1 Introduction
2.2 Applications pour le BAN
2.2.1 Domaine médical
2.2.2 Applications pour le sport
2.2.3 Multimédia et le divertissement
2.3 Normalisation du BAN
2.3.1 Spécifications techniques pour les BAN
2.3.2 Principes du canal UWB
2.3.3 Caractérisation du canal UWB BAN
2.3.4 Modèles de canal BAN IEEE802.15.6
2.3.5 Conclusion
2.4 Propositions de couche PHY UWB
2.4.1 Proposition de Texas Instruments
2.4.2 Proposition de IMEC
2.4.3 Proposition de Samsung-Etri
2.5 Le BAN en France : le projet BANET
2.5.1 Contexte
2.5.2 Objectifs visés du projet BANET
2.5.3 L’approche de BANET
2.5.4 Conclusion
2.6 Problématique et positionnement
2.7 Conclusion
II Proposition d’une couche PHY UWB-IR pour le Body Area Network
3 Spécification d’une couche physique UWB pour les BAN
3.1 Introduction
3.2 Analyse du canal UWB BAN
3.2.1 Paramètres statistiques des canaux
3.2.2 Conclusion
3.3 Proposition d’une couche PHY UWB
3.3.1 Objectifs ciblés
3.3.2 Travaux antérieurs
3.3.3 Période de répétition de l’impulsion
3.3.4 Choix de la modulation
3.3.5 Structure de la couche physique
3.3.6 Bilan de liaison
3.4 Conclusion
4 Performances de la couche physique
4.1 Introduction
4.2 Principe de la simulation
4.2.1 Outil de simulation C++
4.2.2 Conditions des simulations
4.3 Performances avec le récepteur cohérent
4.3.1 Performances théoriques
4.3.2 Influence du modèle de canal
4.3.3 Influence du débit des données
4.3.4 Conclusion sur le récepteur cohérent
4.4 Le récepteur à détection d’énergie
4.4.1 Synchronisation avec le détecteur d’énergie
4.4.2 Démodulation
4.4.3 Etude de la durée d’intégration
4.4.4 Analyse des résultats de simulation
4.4.5 Conclusion sur le détecteur d’énergie
4.5 Conclusion
III Généralisation des performances et coexistence avec les systèmes bande étroite
5 Estimation des performances sur un canal UWB à partir de l’analyse
sur un canal AWGN
5.1 Objectifs
5.2 Principe de l’approche
5.3 Simulation sur le trajet principal
5.3.1 Conditions optimales
5.3.2 Analyse sur les réalisations du canal UWB BAN
5.3.3 Résultats sans les trajets secondaires
5.4 Prise en compte des trajets secondaires
5.4.1 Modèle CM3 : influence des trajets secondaires
5.4.2 Généralisation des performances en incluant les trajets secondaires
5.5 Conclusion
6 Lutte contre l’interférence bande étroite
6.1 Introduction
6.2 Interférences potentielles
6.2.1 Interférences bande étroite dans les fréquences UWB
6.2.2 Le Wimax
6.3 Système en présence de NBI
6.3.1 Modélisation de l’interférence bande étroite
6.3.2 Performances théoriques en absence d’IPI
6.3.3 Performances théoriques en présence d’IPI
6.3.4 Résultats de simulation
6.3.5 Conclusion
6.4 Méthodes de lutte contre le NBI
6.4.1 Introduction
6.4.2 Méthodes préventives
6.4.3 Méthodes correctives
6.4.4 Conclusion
6.5 Nouvelle méthode de lutte contre l’interférence bande étroite
6.5.1 Principe général de localisation du NBI
6.5.2 Eléments d’architecture du récepteur
6.5.3 Procédé de détection et suppression du NBI
6.5.4 Evaluation du procédé de lutte contre le NBI
6.6 Conclusion
Conclusion générale
