Stratégies de diversité pour l’amélioration des performances des systèmes embarqués sans fil automobile

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Canal de propagation des systèmes embarqués radio :

Canal de propagation radio du système TPMS

Compte tenu de la complexité que peut avoir le milieu de propagation entre les roues et le récepteur placé l’intérieur du véhicule, ilstenécessaire d’établir un bilan de liaison précis et fiable pour connaître notre milieu de propagation électromagnétique. Une autre approche consiste à développer des stratégies au niveau système (émetteur, récepteur) pour pallier la complexité éventuelle de modélisation du canal. Au niveau du canal, les chemins multiples empruntés par l’énergie transmise sont dus aux phénomènes de réflexion, de diffraction ou encore de guidage surles surfaces métalliques et les bords des nombreux obstacles situés entre les émetteurs et lerécepteur : ils peuvent causer de sérieuses dégradations de la performance. Plusieurséléments peuvent augmenter la complexité du canal de propagation TPMS par rapport à un système de radiocommunication classique :
· La puissance de l’émetteur monté dans la roue est imitéel par les règles de transmission en champ lointain (un seuil de densité de puissance maximale est exigé par le FCC- Federal Communications Commission).
· Les émetteurs RF sont généralement situés à une longueur d’onde du châssis, donc les risques de couplage en champ proche sont élevés.
· La ligne de visibilité entre les émetteurs et le récepteur n’est pas LOS (Line Of Sight), et la réception est assurée par plusieurs heminsc indirects.
· L’antenne réceptrice est placée à proximité du châsis et de plusieurs éléments métalliques, ce qui augmente le couplage en réception. Il en est de même pour l’antenne d’émission, ce qui perturbe d’autant plus le caractère isotrope du rayonnement de la source comme nous le verrons dans le chapitre suivant.

Analyse de la source RF en champ proche :

La source RF et le système de caractérisation en champ proche :

La source RF pour le système de pression des pneumatiques est un élément important dans l’étude et l’analyse d’un bilan de liaison efficace entre les capteurs-roues et le récepteur placé à l’intérieur du véhicule[1]. Le diagramme de rayonnement en champ lointain et la distribution électromagnétique en champ proche de l’unité-roue embarquée dans une roue sont influencés par trois principaux éléments constructifs de la source TPMS:
· Jante: cette partie métallique de la roue placée àquelques millimètres de l’antenne RF modifie le diagramme de rayonnement et influe sur la désadaptation de l’antenne.
· Pneumatique: c’est un composite très complexe, composé de nombreux matériaux qui varient largement d’un modèle à un autre, d’un constructeur à un autre. Les informations électriques associées sont difficilement accessible, et très difficiles à étudier.
· Sol : la position rotation de l’unité roue et la proximité de l’antenne RF par rapport au sol change le profil de rayonnement de la source RF TPMS, et de fait affectent le bilan de liaison.
La source RF contient plusieurs éléments différents(Figure.2.1), qui peuvent affecter de manière sensible les performances de l’émetteur: il est donc nécessaire de connaître l’influence électromagnétique de chaque élément surle profil de rayonnement de la source (profil et distribution). Cette analyse est d’autant plus pertinente en champ proche, étant donné le fort couplage entre les différentsl éments constructifs de la source (chaque élément est plus petit, ou de l’ordre de la longueur d’onde du signal porteuse RF). Afin de déterminer l’impact successif des principaux éléments constituant la source TPMS, nous proposons dans cette partie une modélisation expérimentale et théorique en champ proche basée sur une méthode de sondage par balayage électromagnétique ponctuelle avec une sonde. Cette caractérisation permet de mesurer la variation de puissance dans un plan vertical par rapport au sol.
La caractérisation réelle en champ proche repose sur un dispositif expérimental spécifique simple et non perturbateur utilisant unesonde (boucle magnétique), qui permet de mesurer la puissance dans un plan parallèle devant la source. Il est ainsi possible de la cartographier l’image électromagnétique de la source dans un plan 2D [2]. Deux phases principales sont nécessaires pour exploiter les mesures en champ proche:
· Mesures discrètes du champ avec une localisation de la sonde en x, y réalisées par un déplacement de la sonde en repérant des points visuellement sur une planche de polystyrène graduée (100cm x 100cm).
· Interpolation des données discrètes de mesures: réalisée avec une interpolation linéaire standard afin de tracer de manière homogène les différentes zones mesurées. La surface sous test est discrétisée en 26 cellules de résolution 6x6cm². La précision de la cartographie interpoléedépend de la densité des points de mesure.
Pour sonder efficacement le champ magnétique il faut respecter quatre principales règles suivantes pour éviter les éventuelles perturbations du champ avec le banc de mesure:
· La caractérisation doit être effectuée dans une chambre anéchoïque.
· La sonde doit être de très faibles dimensions (localisée) et doit être éloignée de tous les éléments métalliques qui peuvent interagiravec elle et de fait fausser la mesure.
· Le support de la sonde doit être isolant, le plus pour ce faire nous avons utilisé un support en bois.
· L’opérateur doit être à une distance suffisante dela sonde (plus de 1m) pour éviter l’influence de son corps sur le champ mesuré(induisant des erreurs de mesure).

Analyse de la source en champ lointain:

Technique de caractérisation employée en champ lointain

La caractérisation du champ lointain est une technique largement utilisée pour définir le diagramme de rayonnement d’une antenne. Cette partie de l’étude de la source analyse le rayonnement électromagnétique à une distance de3 m, en trois dimensions dans une chambre anéchoïque. Pour ce faire, nous avons utilisé un système de mesure à haute résolution angulaire composé par un plateau tournanet d’un système d’acquisition pour enregistrer et traiter les données mesurées. Le système de mesure en champ lointain est illustré en figure.2.15 :
Les principaux éléments du système de caractérisation illustrés dans la figure.2.15 sont :
1. Le sondeur: il s’agit d’une antenne orientée automatiquement à partir d’un système de commande en polarisation horizontale ou verticale. Ce sondeur mesure la puissance rayonnée de la source RF à 3m.
2. La source TPMS et le plateau tournant: la source RF est placée sur un plateau tournant électromagnétiquement neutre et sa rotation est contrôlés en azimut de 0° à 360 ° avec une résolution angulaire de 0.3°. La r otation verticale est effectuée manuellement en bougeant verticalement la roue de 0 ° à 180 ° avec un pas angulaire de 10 °.
3. Un ordinateur de commande et le post-traitement: la polarisation de l’antenne réceptrice et la rotation du plateau tournant sont contrôlés via un ordinateur, équipé d’un logiciel. Les données sont enregistréeset traitées avec MATLAB pour construire un modèle sphérique tridimensionnel.
Dans cette partie de l’étude, nous avons essayé dans un premier de mettre en évidence l’influence de chaque élément (pneu, jante et sol)constituant la source TPMS sur le rayonnement de l’émetteur en champ lointain. Une analyse statistique a été proposée pour quantifier l’impact du type de la jante et du pneumatique sur la source RF.

Système de caractérisation radio et méthode ed modélisation du système TPMS :

Technique de caractérisation du canal radio pour leTPMS

Dans un canal de propagation TPMS, le signal reçu e st perturbé par des phénomènes physiques d’origines multiples (bruits EM, environnement de propagation confiné [6] [7] [8], atténuations internes et externes, rotation de roue, recombinaison de signaux muti-trajets…). La connaissance rigoureuse du canal de p ropagation nous permet de choisir l’antenne RF (unité roue et récepteur), le protocole de communication et la stratégie de la diversité les plus adéquates pour le milieu de propagation radio considéré. Nous proposons dans cette partie de l’étude une approche empirique, basée sur de résultats de mesures de propagation radio. Cette démarche donne un ordre de grandeur réaliste et précis des paramètres du canal. Le système de sondage à adopter pour le TPMS, doit fournir une analyse complète et fiable du canal radio, pour ce faire notre système est censé remplir cinq principaux critères :
· Efficacité spatiale : Les mesures ponctuelles dans l’espace sont peu fiables et le profil du canal peut changer rapidement en fonction de la distance [9]. En conséquence, le système doit restituer une image laplus complète et la plus stable en tout point de la zone étudiée.
· Résolution: les évanouissements du canal sont ponctuels (faible dimension en espace et angle de rotation de roue) [1]. En conséquence, le système doit offrir une très bonne résolution spatiale du canal radio. Le système doit prendre en compte les différentes variations de l’environnement électromagnétique. Le canal TPMS est variable en temps (atténuations temporelles : passagers, cargo, …), en angle de rotation de roue et en espace. Notre système de mesure doit alors prendre en compte la variation spatio-angulaire et les atténuations temporelles.
· Encombrement: de part la taille du véhicule sous test, le système doit être facile à mettre en œuvre, et proposer un encombrement réduit .
· Fiabilité : pour assurer une analyse précise des mécanismes mis en jeu, des mesures fiables et non perturbées par l’environnement de véhicule sont indispensables.
Ce système de caractérisation doit permettre la mesure du canal de propagation en assurant les critères mentionnés ci-dessus, à la fréquence 433.92 MHz. Le sondeur doit assurer la mesure des canaux de propagations dans deux environnements différents :
« Out Car » (zone de réception placée à l’extérieurde la voiture), et « In Car » (zone de réception placée à l’intérieur de véhicule). Les fférentsdi éléments constituant le système de caractérisation du canal TPMS sont :
· Système d’émission: il est composé d’une unité d’émission RF montée dans une roue, le système contient deux antennes, une antenne haute fréquence à 434 MHz et une antenne basse fréquence (LF) adaptée à 125 kHz. L’émission RF est activée par des commandes LF déclenchées par l’opérateur, la transmission d’une porteuse pure est assurée durant un délai déterminé(environ quatre minutes) afin de garantir un niveau stable du signal émis.
· Système de réception : il est composé d’une antennemonopole intégrée dans un récepteur. Ce dernier est déplacée le long d’une gneli parallèle pour huit différentes positions (espacées de/8) afin de construire une image spatiale complète du canal d’une longueur d’onde. Le gain moyen du récepteur utilisé est – 15 dBi (électronique + boitier physique inclus). Pour chaque position du récepteur, la signature angulaire de chaque roue est mesurée à base de l’indicateur RSSI – Received Signal Strength Indicator- qui donne une image en de la puissance reçue par l’antenne.
· Transmission des données de mesure : c’est le medium qui relie le système de réception au système d’acquisition. Comme les faisceaux électriques présentent des effets nuisibles dans la mesure (perturbation bilatérale CEM), nous avons utilisé un système non perturbant, à base de fibre optique. Les données mesurées sont alors acheminées vers le système d’acquisition sans perturber la zone de sondage. Ce procédé permet de s’affranchir des câbles coaxiaux et d’un analyseur de spectre qui pourrait perturber la mesure.
· Codeur angulaire : il est accouplé à une des roues de voiture et permet de mesurer la variation angulaire de la roue sondée et de la synchroniser avec mesure de puissance reçue.
· Treuil : il permet de tirer la voiture avec une vitesse constante durant les campagnes de sondage et assurer une rotation de roue complète avec une importante résolution angulaire d’environ 10 RSSI mesurés par degré.
· Système d’acquisition : le système contient un ordinateur équipé d’un logiciel d’acquisition développé en interne. Ce logiciel permet d’acquérir les données de puissances mesurées et de les synchroniser avec les données de l’angle de rotation.
· Poste de traitement : ce dernier est réalisé sous MATLAB, qui permet d’interpoler les différentes données de mesure et de réaliser une cartographie spatiale du canal de propagation TPMS en fonction de l’angle, de l’es pace et de la puissance.

Impact de la rotation de la roue et du sol sur le canal radio TPMS :

Afin d’analyser l’impact de la rotation de roue et du sol sur la variation canal radio et la désorientation des ondes émises, nous avons caractérisé la signature angulaire dans une zone externe de type « out car ». Cette dernière est considérée comme une configuration LOS (Line of Sight) en visibilité directe avec le écepteur. Le sondage est mené dans une surface de 60 cm de longueur à 40 cm du véhicule. L’analyse de résultats est effectuée au travers des matrices expérimentales de 8 colonnes et d’environ 2200 lignes. Compte tenu des symétries du véhicule et en raison du nombre depoints de mesures, nous n’avons effectué ce sondage uniquement pour la roue avant droite. La figure.2.26 illustre la position et la dimension de la zone caractérisée :
La variation spatio-angulaire de la puissance reçue a été mesurée pour deux polarisations de l’antenne réceptrice : antenne en position verticale et en position horizontale. Les résultats obtenus se présentent sous forme d’une variation tridimensionnelle en fonction de l’angle de rotation de roue et de la position spatiale de l’antenne pour les deux polarisations. La variation de la puissance reçue est illustrée dans la figure.2.27 pour la polarisation horizontale. Nous pouvons remarquer une variation plate du canal de propagation (expliqué par la simplicité et l’ouverture de la configuration du canal mesuré), composée de deux principaux évanouissements angulaires profonds (zone * et zone**). Le premier est situé autour de80° (zone*) avec un niveau reçu de -91 dBm de profondeur maximale, et le deuxième est repéré autour de 270° (zone**) avec une profondeur de maximale de -82 dBm. La dynamique mesurée sur le plan vertical est d’environ 41 dB. Ces évanouissements angulaires s’expliquent par la dépolarisation des ondes émises (désadaptation de polarisation- polarization mismatch en anglais) due à la rotation de roue (désorientation de l’antenne placée à l’intérieur de la roue par rapport à l’orientation de l’antenne réceptrice) :
Les mesures ont été effectuées dans la même zone urpola polarisation verticale. Les résultats obtenus sont illustrés dans la figure.2.82. On peut remarquer que la variation du canal est relativement plate en fonction de la distance. Deux principaux évanouissements angulaires apparaissent durant la rotation de roue, le premier (zone ##) à 0° ou 360° avec une profondeur maximale de -70 dBm et le deuxième autour de 180° avec une profondeur plus importante de -80 dBm. La dynamique mesurée sur le plan vertical est d’environ 35 dB et les évanouissements observés sont expliqués par la modification de l’orientation de l’unité roue. La puissance moyenne reçue est de -52.2 dB sur le plan vertical et de – 61.2 dB sur le plan horizontal.

Modélisation spatiale du canal radio pour leTPMS :

Simulation de la variation planaire:

Nous évoquons dans cette partie une étude modéliséeà433.92 MHz afin d’analyser la variabilité du canal radio en polarisation dans la zone de réception caractérisée (Avant Gauche). Comme précisé précédemment, la zone de réception est installée dans la partie avant gauche du modèle véhicule (Z= 50 cm, X=160 cm, Y=30 cm à 94 cm). Les simulations électromagnétiques ont été effectuéesourp les quatre roues de la voiture (appelée après RFW : Roue Avant Droite, RRW : Roue Arrière droite, LFW : Roue Avant Gauche et LRW : Roue Arrière Gauche) sur deux orientations (polarisation verticale et horizontale). Nous avons placé une antenne de type monopole selon 35 positions angulaires (0° à 350° avec un pas angulai re de 10°) autour de chaque roue. Le temps de simulation moyen d’une position angulaire est de 4 h (hors post-traitement). La durée de calcul est d’environ 140 h par roue. Les résultats de simulation traités sont montrés dans la figure.2.34.

Etude du canal de propagation radio pour le système d’accès sans fil :

Influence de sol :

Pour le bon fonctionnement des systèmes d’accès sans fil, il est nécessaire de connaître le canal de propagation radiofréquence. La propagation des ondes électromagnétiques au travers de canal peut causerde sérieuses dégradations sur la couverture ainsi que sur la qualité de transmissionentre le badge et le récepteur embarqué dans le véhicule. Pour cela, nous proposons une étude théorique et expérimentale sur le canal de propagation radiofréquence entre le badge et le récepteur. Nous allons examiner en détail les caractéristiques des différents éléments constitutifs du canal de propagation qui affectent les performances du système. Afin d’estimer les facteurs de perte de signal lors de la propagation, notre analyse doit prendre en considération non seulement les paramètres du système (diagrammes de rayonnement des antennes, gains, puissances d’émission,…) mais aussi l’environnement de propaga tion. Le signal est influencé par mutiples effets de propagation, parmi lesquels nous mentionnons :
· L’effet du sol : la proximité de l’antenne par rapport au sol affecte la propagation et augmente la variabilité du canal dans l’espace.
· Perte en l’espace libre : la grande distance entre l’émetteur et le récepteur affaibli l’amplitude du signal transmis et favorise l’appari tion de zones d’ombre autour de la voiture.
· Structure de la voiture : comme pour le TPMS, la position du récepteur à l’intérieur de la voiture (i.e entre les parois métalliques), augmente la complexité de l’étude du canal de propagation, et la communication entre émetteur et récepteur ne se réduit plus à simple propagation enespace libre.
· Effet humain : l’influence du corps humain sur le rayonnement de l’antenne du badge est souvent non négligeable : donc notre analyse doit prendre en considération cet élément perturbateur au niveau del’émetteur (badge RF).
La présence du sol affecte la variation du canal avec des réflexions multiples et des diffractions des signaux émis [14] [15]. En vision direct de type LOS (Line Of Sight), le signal total reçu est une combinaison d’un trajet direct et d’un signal réfléchi par le sol. La réflexion du sol contribue à la modification de la couverture radio, principalement dans une configuration simple de type LOS. Afin de quantifier l’influence du sol sur le bilan de liaison, nous proposons une étude expérimentale et théorique à 433.92 MHz.
Le modèle adopté pour l’analyse théorique est basésur la technique de deux rayons (two ray tracing) [16]. Ce modèle est basé sur les lois de l’optique géométrique de Descartes : chaque rayon incident qui arrive sur le sol donne lieu un rayon réfléchi dans le sens opposé. Pour chaque direction partant de lasource, on calcule la propagation d’un rayon dans l’espace en utilisant le coefficient de réflexion du matériau considéré. Il y a donc quatre paramètres principaux à prendre en compte lorsqu’on implémente cette méthode géométrique :
· Les hauteurs de l’émetteur et du récepteur
· La distance entre l’émetteur et le récepteur
· Le coefficient de réflexion du sol
· La polarisation de l’onde
· Les paramètres diélectriques du sol

Table des matières

1. Les systèmes embarqués sans fil automobile et le canal de propagation radiofréquence :
1.1. Système de surveillance de pression du pneumatique
1.1.1. Intérêt général et analyse des accidents
1.1.2. Présentation du système de surveillance directe de la pression des pneumatiques
1.2. Système d’accès sans fil
1.2.1. Système d’accès main libre PASE
1.2.2. Système d’entrée par télécommande RKE
1.3. Le canal de propagation radiofréquence
1.3.1. Les différentes zones de propagation
1.3.2. Champ proche et en champ lointain
1.3.2. Propagation par multi-trajets
1.4. Canal de propagation des systèmes embarqués sans fil
1.4.1. Canal de propagation du système TPMS
1.4.2. Canal de propagation radio du système d’accès sans fil
2. Etude du canal de transmission radio pour les systèmes de pression des pneumatiques et le système d’accès sans fil automobile 
2.1. Etude de la source radio pour le système de transmission de la pression des pneumatiques
2.1.1. Analyse de la source RF en champ proche
a. La source RF et le système de caractérisation en champ proche
b. Influence de la jante en champ proche
c. Influence du pneumatique en champ proche
d. Influence d’un plan réflecteur en champ proche
2.1.2. Analyse de la source RF en champ lointain
a. Technique de caractérisation en champ lointain
b. Influence de la jante en champ lointain
c. Influence du pneumatique en champ lointain
2.2. Etude du canal de transmission radio pour le système de transmission de la pression des pneumatiques
2.2.1. Système de caractérisation radio et méthode de modélisation du système TPMS
a. Technique de caractérisation du canal radio pour le système TPMS
b. Méthode de modélisation du canal radio pour le système TPMS
2.2.2. Impact de la rotation de roue et du sol sur le canal radio TPMS
2.2.3. Caractérisation spatiale du canal radio TPMS dans un environnement réel
a. Mesure de la variation planaire
b. Mesure de la variation tridimensionnelle
2.2.4. Modélisation spatiale du canal radio TPMS
a. Simulation de la variation planaire
b. Simulation de la variation tridimensionnelle
2.2.5. Analyse des variations temporelles du canal radio TPMS
a. Influence des passagers dans l’environnement interne
b. Influence de l’environnement externe et l’orientation de la roue
2.3. Etude du canal de propagation radio pour le système d’accès sans fil
2.3.1. Influence du sol
2.3.2. Influence du corps humain sur le canal de propagation
2.3.3. Influence de la carrosserie sur la réception radio
2.3.4. Etude du canal de transmission complet
3. Etude de la qualité de communication radio pour le système de pression des pneumatiques 
3.1. Outil d’analyse dynamique de la qualité de transmission du système TPMS
3.1.1. Principe de fonctionnement de l’outil
3.1.2. Interface graphique et options proposées
3.2. Impact du canal de propagation radio et des évanouissements angulaires sur la qualité de transmission en dynamique
3.2.1. Etude de la sélectivité temporelle du canal de propagation TPMS
3.2.2. Simplification du canal radio et traitement des résultats
3.2.3. Impact d’un canal modélisé sur la performance du système TPMS
3.2.4. Impact d’un canal caractérisé sur la performance du système TPMS
3.3. Impact des collisions temporelles inter et intra véhicule
3.3.1. Collision temporelle dans le système TPMS
3.3.2. Simulateur de collision du système TPMS
a. Environnement de simulation
b. Topologie et scénario d’échange
3.3.3. Evaluation de la probabilité de collision de trame
a. Influence du débit de communication
b. Influence de la taille de la trame
c. Influence du nombre des noeuds
3.3.4. Evaluation de la probabilité de collision au niveau des paquets
4. Stratégies de diversité pour l’amélioration des performances des systèmes embarqués sans fil automobile 
4.1. Gain de diversité et méthode de combinaison
4.1.1. Principe et gain de la diversité
4.1.2. Techniques de commutation
a. Technique de commutation sur seuil
b. Technique de commutation sur le meilleur canal
4.2. Diversité temporelle
4.2.1. Généralité sur la diversité temporelle pour le système TPMS
a. Principe de la diversité temporelle pour le système TPMS
b. Taille temporelle de la trame
c. Nombre de trames par paquet
d. Intervalle inter-trames
4.2.2. Coefficient d’intersection
4.2.3. Performance de la diversité temporelle en dynamique
4.3. Diversité d’espace
4.3.1. Principe de diversité d’espace
4.3.2. Coefficient de corrélation pour la diversité d’espace
a. Analyse théorique du coefficient de corrélation pour la diversité d’espace
b. Etude expérimentale dans un environnement réel pour le système TPMS
4.3.3. Performance de la diversité d’espace pour le système TPMS
4.4. Diversité de polarisation
4.4.1. Principe de la diversité de polarisation
4.4.2. Evaluation de la discrimination de polarisation croisée
4.4.3. Effet du couplage sur l’efficacité de la diversité de polarisation
4.4.4. Gain effectif
4.4.5. Coefficient de corrélation pour la diversité de polarisation
4.4.6. Performance de la diversité de polarisation dans l’environnement véhicule pour les systèmes TPMS et d’accès sans fil
a. Conception d’un dispositif exploitant la diversité de polarisation
b. Couverture externe du système d’accès
c. Couverture interne du système TPMS
Conclusion

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