Techniques de radio localisation

Les communications sans fil connaissent une très grande croissance mondialement, car il est devenu plus économique et plus rapide d’installer des réseaux sans fil que de mettre en place une infrastructure filaire pour assurer la couverture géographique.

Depuis quelques années, les techniques de radiolocalisation sont devenues de plus en plus importantes dans la vie quotidienne. Ces techniques permettent de connaître la position plus ou moins exacte d’un mobile (un individu ou un objet) dans un environnement donné. Une des applications les plus importantes de ces techniques est la radiolocalisation des mobiles lors d’un appel d’urgence.

Les systèmes de radiolocalisation sont aussi utilisés dans plusieurs domaines. On utilise les systèmes de radiolocalisation dans le domaine médical pour localiser les personnes qui souffrent de pertes de mémoire associées à la maladie d’Alzheimer par exemple. On peut aussi utiliser ces systèmes pour la surveillance des enfants de manière à les retrouver plus facilement en cas de problème. Ce système est aussi utilisé dans le domaine de la sécurité publique, comme le service 911 en Amérique du Nord, qui l’utilise pour identifier plus rapidement l’endroit où se trouvent les personnes munies d’un téléphone cellulaire impliquées dans un accident et qui ne connaissent pas toujours leur position. Plusieurs automobiles sont aujourd’hui équipées de récepteurs GPS et sont donc retrouvées plus facilement par la police en cas de vol. Ces systèmes sont aussi utilisés dans le domaine militaire où ils servent essentiellement à l’espionnage ou au suivi de missions militaires [1].

RADIO DÉFINIE PAR LOGICIEL -SDR 

La Radio définie par logiciel « Software Radio SWR » a été proposée en 1991 par le professeur Joseph Mitola, qui a publié un premier article sur le sujet en 1992 [4]. Cet article met de l’avant une proposition pour une nouvelle technologie radio à faible coût et à faible consommation d’énergie, permettant la réalisation de terminaux et d’infrastructures de stations de base radio capable de supporter, indépendamment du matériel, un fonctionnement multi-services, flexible, multi-bandes, reconfigurable à distance et reprogrammable par logiciel .

Une radio définie par logiciel (SDR) est un système de communication radio qui effectue une modulation et une démodulation du signal radio en logiciel [ 4] [ 13]. Cependant, il est clair que la philosophie derrière le concept de SDR est que le logiciel devrait fonctionner aussi proche que possible de l’antenne et ce logiciel devrait fonctionner sur un ordinateur à usage général.

Un SDR est un émetteur-récepteur radio qui est formé de deux parties, à savoir la partie logicielle et la partie matérielle. En réception, le Front-End RF convertit le signal reçu à partir de sa fréquence porteuse à une fréquence intermédiaire (FI) ou en bande de base. En émission, le Front-End RF convertit le signal en bande de base à une fréquence intermédiaire (FI) et, par la suite, à la fréquence porteuse souhaitée. Dans les deux cas, le Convertisseur Analogique Numérique (CAN) / Convertisseur Numérique Analogique (CNA) convertit le signal sur la bande passante de modulation. Les traitements suivants (filtrage, décimation, démodulation, décodage … ) peuvent ensuite être réalisés de façon logicielle. Ces traitements sont réalisés à l’aide d’un microprocesseur dédié au traitement du signal (DSP, digital signal processor), d’un composant dédié au traitement du signal (ASIC : Application Specifie Integrated Circuit), d’un composant électronique programmable (FPGA, Field Programmable Gate Array), ou directement sur le processeur d’un PC traditionnel.

Universal Software Radio Peripheral (USRP)

Les convertisseurs A/N et N/A 

L’USRP est constitué deCAN, de CNA, d’un FPGA et d’un interface USB2.0 ou Ethernet de quatre chaînes, deux pour l’émission (TXA, TXB) et deux pour la réception (RXA, RXB).

Le convertisseur analogique-numérique (CAN) a pour rôle de convertir les signaux analogiques reçus par l’USRP en signaux numériques. Il y a 4 CAN dans l’USRP, la résolution de chaque convertisseur est de 12 bits et la fréquence d’ échantillonnage de chacun est de 64 MHz (ou 64 Méga échantillons par seconde). Il peut donc numériser un signal de largeur de bande de 32 MHz au maximum. Ceci est une limitation, car il ne peut pas recevoir des signaux ayant une bande passante de plus de 32 MHz. En plus, avant le CAN à la réception du signal, il y a un amplificateur à gain programmable (PGA) qui amplifie le signal à l’entrée dans le cas où le signal est faible. Il peut l’amplifier jusqu’à 20 dB.

Dans le cas de transmission des signaux par l’USRP, il y a encore quatre convertisseurs numérique-analogique qui convertissent les signaux du numérique à l’analogique. Chacun de ces convertisseurs a une résolution de 14 bits et une fréquence d’échantillonnage de 128 MHz. Donc, ils peuvent numériser un signal d’émission ayant une largeur de bande maximale de 64 MHz [ 4].

GNU RADIO

Les problèmes matériels dans le SDR sont transformés en problèmes logiciels et la quasi-totalité du traitement est réalisé par un ordinateur. Cela permet une très grande flexibilité contrairement aux anciens systèmes très contraignants. Ceci est la philosophie du GNU radio combiné avec l’USRP.

Le GNU radio est un outil logiciel source ouverte (open-source) de développement qui fournit des blocs de traitement du signal pour mettre en œuvre les radios logicielles. Il est largement utilisé dans les environnements de la radio-amateur, académiques et commercials pour soutenir à la fois la recherche en communications sans fil et les systèmes de radio du monde réel. Les applications du GNU radio sont principalement écrites en utilisant le langage de programmation Python, tandis que la performance critique fournie la voie de traitement du signal et est implémenté en C + + en utilisant des processeurs à virgule flottante extensions, le cas échéant [9]. Les fonctions de traitement de signal GNU radio sont les suivantes [6] :
➤ Modulations analogiques : AM, PM, FM.
➤ Modulations numériques: PSK, QAM, FSK, OFDM
➤ Filtres, FFT

Techniques de radio localisation 

La radiolocalisation est une technique qui permet de déterminer la position géographique d’un individu ou d’un appareil dans un environnement bien déterminé, susceptible d’être affiché sur une carte. Une des applications les plus récentes de cette technique est la localisation des mobiles lors d’un appel d’urgence. Cette technique est utilisée dans plusieurs domaines et pour plusieurs milieux, par exemple la localisation à l’intérieur des mines, la localisation à l’extérieur de personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer, la localisation des petits enfants ou des personnes âgées. La police utilise également cette technique pour la localisation de véhicules impliqués dans un accident ou lorsque les véhicules ont été volés. La localisation permet également de guider les robots dans des endroits difficilement accessibles ou contaminés pour exécuter différentes tâches.

L’objectif de la radiolocalisation en télécommunications est un peu différent, car il y a des stations de base avec des antennes intelligentes qui utilisent les signaux pour estimer la direction et la position du mobile, avec une très bonne précision. Pour cela, il existe de nombreuses techniques de localisation et les paragraphes suivants décrivent deux des principales techniques de radiolocalisation. La première regroupe les techniques dites traditionnelles, qui utilisent des algorithmes basés sur une modélisation mathématique du canal de propagation alors que la seconde utilise des algorithmes basés sur la théorie développée pour les radars.

Table des matières

Chapitre 1  Introduction 
1.1 Introduction
1.2 Problématique de localisation
1.3 Structure du mémoire
Chapitre 2 Radio définie par logiciel-SDR 
2.1 Introduction
2.2 Avantages du SDR
2.2.1 Multi-bandes
2.2.2 Multi-canaux
2.2.3 Multi-modes
2.2.4 Multi-Bande Passante
2.3 Universal Software Radio Peripheral (USRP)
2.3.1 Les convertisseurs A/N et N/A
2.3.2 Les cartes filles
2.4 GNU radio
2.4.1 GNU radio Companion (GRC)
2.4.1.1 Exemple GRC
2.5 Conclusion
Chapitre 3  Techniques de radiolocalisation 
3.1 Introduction
3.2 Techniques basées sur une modélisation mathématique du canal de propagation
3.2.1 Puissance du signal reçu (RSS-Received Signal Strength)
3.2.2 Angle d’arrivée du signal (AOA- Angle Of Arrivai)
3.2.3 Temps d’arrivée du signal (TOA- Time Of Arrivai)
3.2.4 Différence de temps d’arrivée du signal (TDOA – Time Difference Of Arrivai)
3.3 Techniques basées sur l’approche radar
3.3.1 Différents types de radar
3.3.1.1 Radar à impulsions
3. 3 .1. 2 Radar à ondes continues
3.4 Conclusion
Chapitre 4  Approches proposées 
4.1 Introduction
4.2 Méthode fréquentielle
4.3 Méthode temporelle
4.4 Méthode GPS
4.4.1 APRS
a. Les matériels de l ‘APRS
b. Configuration d’une station APRS
c. Message APRS
4.5 APRS-USRP
4.6 Conclusion
Chapitre 5  Résultats
5.1 Introduction
5.2 Mf -AIO (Micro-Trak All-In-One)
5.3 Radio KENWOOD TH-D72A
5.4 Conclusion
Chapitre 6  Conclusion

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