Soutenance mémoire
Depuis la découverte de la communication sans fil par Hertz, en 1880, qui a démontré que les ondes électromagnétiques pouvaient se propager sans support matériel ; plusieurs découvertes et inventions ont été faites et qui en se complétant constituent le domaine de la télécommunication. La télécommunication consiste alors à transmettre ou à échanger des grandeurs d’informations comme : la voix, les données, les images. Plusieurs applications ont vu le jour pour pouvoir transmettre ces grandeurs comme : l’internet, la téléphonie mobile, le wifi, le HDTV (High Definition Television) ou la télévision a très haute définition, le Bluetooth…
Lors de la transmission le canal de propagation subits des perturbations le message reçu par le destinataire ou le récepteur est alors bruité. Le besoin d’avoir une bonne transmission d’informations incite les chercheurs à inventer des techniques permettant l’amélioration du canal de transmission tout en combattant les affaiblissements, les bruits et trajets multiples provoqué dans ce canal. MIMO (Multiple Input Multiple Output), est l’une des techniques offrant une performance du canal face à ces perturbations. La première partie de cet ouvrage parlera de ces perturbations et quelques solutions prises par MIMO. Avec l’application du MIMO, le taux de transmissions d’informations, débits, la fiabilité dans les systèmes de Télécommunication augmentera de manière significative. Mais ceci n’est pas suffisant car actuellement, les WLANs (Wireless Local Area Networks) offre au maximum un débit de 54Mb/s et un débit estimatif atteignant les 600Mb/s dans le futur. Pour ce fait, quelques technologies comme le MIMO et l’OFDM (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing) doivent être adoptées, qui sont recommandées par l’IEEE 802.11n, et permettant même d’atteindre un débit au-delà 1Gb/s. Pour pouvoir augmenter le débit il faut, tout d’abord, connaitre la capacité du canal.
L’association entre l’UWB-MIMO est peut-être une solution pour atteindre un débit très élevé car l’association de ces deux systèmes pourra nous offrir une large capacité. Dans la deuxième partie de notre ouvrage, on va développer le système UWB (Ultra Wide Band) et on verra que l’UWB peut utiliser une immense bande de fréquence allant de 3.1Ghz jusqu’à 10,6Ghz aux USA et en Asie et d’au moins 6 à 8,5Ghz en Europe et cela peut assurer une grande augmentation du taux de transmissions de donnée selon le théorème de Shannon. Mais le canal de l’UWB est sensible aux perturbations, aux trajets multiples, et aux affaiblissements et ne peut atteindre que quelques dizaines de mètres. D’où l’intérêt de l’association de l’UWB-MIMO rendant le canal plus performant et résistant qu’on verra dans la troisième partie de notre ouvrage. Peu d’ouvrage parle de l’UWB-MIMO mais elle pourra être l’avenir des réseaux sans fils car plusieurs recherches, à savoir la capacité de canal, le code espace-temps qui renforce les symboles transmis par l’émetteur, le beamforming qui permet d’allouer la puissance nécessaire aux récepteurs dans une direction bien précise, pour avoir un taux de transmission de donnée très élevé.
MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT
La propagation d’onde est l’une de mode de transmissions la plus utilisée dans le domaine de télécommunication surtout en communication sans fils mais elle est souvent confrontée à plusieurs problèmes comme la perturbation du canal de transmission, l’évanouissement du signal pour y remédier plusieurs techniques sont utilisés, la plus utilisée d’entre eux est la technique de diversité d’antennes. Cette technique consiste à placer plusieurs antennes à la réception. Cependant, l’intégration de plusieurs antennes sur un téléphone portable par exemple est un nouveau challenge et c’est le but de MIMO.
Techniques de diversités
La diversité est une technique utilisée pour éviter les perturbations dans la propagation. Le principe sous-jacent est de transmettre plusieurs répliques de la même information sur plusieurs canaux ayants des puissances comparables et des évanouissements indépendants, alors il est fort probable qu’au moins un, ou plus, des signaux reçus ne soit pas atténué à un moment donné, rendant ainsi possible une transmission de bonne qualité. Deux principales catégories de diversité existent, la catégorie explicite et implicite. La première catégorie consiste à transmettre d’une manière ou d’une autre, plusieurs répliques du même message. La seconde catégorie consiste à n’envoyer qu’une copie, mais à compter sur des concepts tels que le multi parcourt pour obtenir plusieurs versions du signal envoyé.
Diversité fréquentielle
Cette technique, de catégorie explicite, demande l’envoi du même signal sur des fréquences différentes. Il faut toutefois faire attention à la largeur de bande cohérente et à l’étendue fréquentielle due au multi parcours et aux distances à franchir par la transmission. On doit par contre faire également attention à la bande de fréquence disponible pour l’utilisation de cette technique qui est exigeante de ce côté.
Diversité temporelle
Lorsque l’on sépare l’envoi du même signal par le temps cohérence du canal, il est possible de profiter de diversité temporelle. Tout dépend également de la vitesse de déplacement du mobile et de la fréquence porteuse. Il faut toutefois que la vitesse du mobile demeure assez élevée ou que les délais entre les signaux restent suffisamment grand.
Diversité spatiale
La diversité spatiale, aussi connue sous le nom de diversité d’antenne, ou diversité matricielle est l’une des techniques la plus ancienne. Elle est facile d’implémentation et ne requière pas de ressources fréquentielles supplémentaires. L’objectif est d’avoir plusieurs antennes séparées d’une distance suffisante pour avoir dé-corrélation du canal. Il faut donc avoir un espace suffisant. La distance nécessaire dépend de divers éléments, soit du terrain, de l’environnement, de l’antenne elle- même, ses dimensions, etc. Lorsque le canal est connu, le transmetteur peut aussi utiliser ce type de diversité.
Etat du Canal
L’état du canal CSI (Channel State Information) fait référence à la connaissance de la propriété du lien de la communication, cette information décrit comment le signal se propage depuis le transmetteur jusqu’ au récepteur et représente la combinaison des effets de celui-ci, par exemple la dispersion, les affaiblissements, perte de puissance due à la distance. La méthode utilisée est appelée estimation du canal. La connaissance de l’état du canal rend possible l’adaptation de la transmission au canal actuel, les conditions essentielles pour avoir une communication fiable avec des débits de données élevés et les systèmes de multi antennes. L’état du canal doit être estimé au niveau du récepteur et habituellement quantifié et renvoyé aux transmetteurs (bien que l’estimation de la liaison est possible dans les systèmes TDD). Par conséquent, l’émetteur et le récepteur peuvent avoir différente état. Les états du canal au niveau du transmetteur et du récepteur sont à la fois appelés CSI-T et CSI-R respectivement.
Précodeurs
Les systèmes MIMO, d’après leur construction, offrent de nombreux avantages. Pour accroître encore les performances en termes de robustesse, débit, qualité de service…, différentes méthodes ont été développées depuis une dizaine d’année afin de répartir au mieux la puissance totale du système sur les antennes. Ainsi, les dégradations due à la propagation peuvent être anticipées : c’est ce qui est appelé le précodage (ou pré-égalisation) avant l’émission. La contrainte forte et obligatoire pour ce type d’optimisation est la nécessité de connaître, au niveau de l’émetteur, l’état du canal (CSI). Celui-ci est généralement estimé en réception par une séquence d’apprentissage ou par des algorithmes à égalisation aveugles afin de démoduler les symboles. La CSI à l’émetteur nécessite donc la mise en place d’un retour d’information du récepteur vers l’émetteur en renvoyant toute l’estimation du canal ou seulement quelques coefficients.
Dans le cas d’un canal symétrique et invariant sur plusieurs durées symboles, l’émetteur et le récepteur peuvent fonctionner en duplex temporel sur la même bande de fréquence. L’émetteur peut alors estimer le canal grâce aux émissions du récepteur. Pour optimiser la transmission des systèmes MIMO à l’aide du précodeur, il faut savoir quelles performances doivent-être améliorées dans cette communication sans fil. Trois types d’amélioration peuvent être distingués :
– Le débit : le but est d’atteindre le plus haut débit binaire par unité de largeur de bande. Comme nous avons pu voir précédemment, la capacité théorique maximale d’un système MIMO est très supérieure au SISO dans les hauts RSB. Il est donc intéressant de garantir la meilleure exploitation du canal MIMO.
– La fiabilité : la fiabilité d’un système est souvent en contradiction avec la capacité maximale. La fiabilité est mesurée par le taux d’erreur binaire moyen. Il est important de choisir une stratégie de précodage qui permet de compenser au mieux les effets du canal.
– La complexité : plus le précodage est complexe et plus l’implémentation est difficile et en général consommatrice d’énergie, et peut poser de problème sur des appareils mobiles. Il faut donc concevoir des précodeurs différents suivant leur implémentation.
L’optimisation générale des précodeurs, suivant certains critères tels que l’EQMM (Erreur Quadratique Moyenne Minimale), le Water Filling (WF maximisation de la capacité), la QdS (Qualité De Service), l’EE (Erreur Egale), aboutit à la diagonalisation de la matrice canal H. Une technique classique pour simplifier les systèmes multi-variables est de diagonaliser le système. Nous présentons par la suite une méthode diagonalisant le canal. Grâce à cette première étape, la détermination des précodeurs est rendue plus simple.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT
1.1 Introduction
1.2 Perturbation de la propagation
1.2.1. La perte en espace libre
1.2.2. Effets de masque
1.2.3. Trajet multiple
1.2.4. Les interférences
1.2.5. Bruit
1.3. Techniques de diversités
1.3.1. Diversité fréquentielle
1.3.2. Diversité temporelle
1.3.3. Diversité spatiale
1.4. Différents types de technique de MIMO
1.4.1. SISO
1.4.2. SIMO
1.4.3. MISO
1.4.4. MIMO
1.5. Capacités du canal
1.5.1. SISO
1.5.2. SIMO
1.5.3. MIMO
1.6. Etat du Canal
1.7. Précodeurs
1.8. Diagonalisation d’un canal MIMO
1.9. Codage temps-espace
1.9.1. Choix du codage temps-espace
1.9.2. Codes temps-espace en treillis
1.9.3. Codes temps-espace en blocs
1.10. Conclusion
CHAPITRE 2 ULTRA WIDE BAND
2.1. Introduction
2.2. Définition d’un signal UWB
2.3. Règlementation et normalisation de l’UWB
2.3.1. Réglementation de l’UWB dans le monde
2.3.2. Réglementation de l’UWB Aux Etats-Unis
2.3.3. Réglementation de l’UWB en Asie
2.3.4. Réglementation de l’UWB en Europe
2.3.5. Panorama de cohabitation
2.4. Standardisation de l’UWB dans L’IEEE
2.4.1. IEEE 802.15.3a
2.4.2. IEE 802.15.4
2.5. Caractéristiques
2.6. Application de l’UWB
2.6.1. UWB RADAR
2.6.2. Systèmes de communication UWB
2.7. Techniques de transmission pour l’UWB
2.7.1. UWB par impulsion : IR-UWB
2.7.1.1. Time Hopping (TH)
2.7.1.2. Direct Sequence IR-UWB (DS-IR-UWB)
2.7.2. UWB multi bande
2.7.2.1. Solution multibande impulsionnelle
2.7.2.2. Solution multibande OFDM
2.8. Modulation dans l’UWB
2.8.1. Modulation d’impulsion en position (Pulse Position Modulation (PPM))
2.8.2. Modulation d’impulsion par inversion de polarité (BPM)
2.8.3. Modulation d’impulsion en amplitude PAM
2.8.4. Modulation tout ou rien (ON OFF KEYING OOK)
2.9. La capacité du canal de l’UWB
2.10. Conclusion
CHAPITRE 3 ASSOCIATION DE L’UWB ET MIMO
3.1. Introduction
3.2. Capacité du canal de l’UWB-MIMO
3.3. Modèle du canal
3.4. Capacité du canal UWB-MIMO
3.4.1. Capacité du canal sans CSI
3.4.2. Capacité du canal avec CSI
3.5. Résultat de la simulation de la capacité du canal
3.5.1. Présentation du logiciel MATLAB
3.6. Capacité du canal du système MIMO
3.7. Capacité du canal de l’UWB
3.7.1. Capacité du canal sans CSI ou capacité Uniforme
3.7.2. Capacité du canal avec CSI ou capacité optimale
3.8. Capacité du canal UWB-MIMO
3.8.1. Capacité du canal sans CSI ou capacité uniforme
3.8.2. Capacité du canal avec CSI ou capacité optimale
3.9. Comparaison des capacités du canal des systèmes
3.9.1. Simulation
3.10. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
