Soutenance mémoire
Les télécommunications sans fil pour les transports publics urbains
Avec le développement de l’électronique, de l’informatique et des télécommunications, les besoins en transmission dans les transports publics se sont multipliés dans le but d’augmenter la sécurité des déplacements, d’optimiser l’usage des infrastructures existantes en fluidifiant le trafic, de réduire les coûts de fonctionnement et de maintenance et ainsi de réduire l’impact des transports sur l’environnement. Aux besoins de transmissions liés à l’exploitation et à la maintenance, s’ajoutent aujourd’hui les besoins d’information et de services à destination des clients à tout moment. Il est aujourd’hui communément admis que ces services rendent les transports publics plus attractifs, favorisent les usages multimodaux et augmentent le sentiment de sécurité des clients des transports publics. Ces applications nécessitent des liens de transmission sans l entre les véhicules de transport public et le sol, entre les véhicules eux-mêmes et à l’intérieur du véhicule. La problématique de ce travail de thèse concerne la transmission sans fil de flux d’information depuis des autobus urbains vers un ou plusieurs postes de contrôle pour des applications de surveillance embarquée reposant sur la perception sonore et vidéo de l’intérieur des bus et le déclenchement d’alarmes. En effet, les actes de malveillance et les agressions sur les réseaux de transports publics ont augmenté ces dernières années. La détection et la combinaison de l’audio et de la vidéo permettent d’affiner la qualification d’événements à risque an de les confirmer et de les localiser pour intervention (cris, bagarres, agressions, dégradations par « tagage » à la peinture ou dégradations des vitres). Cette gestion au plus près permet d’alerter sereinement les opérateurs de sécurité sur la décision la plus juste pour toute intervention. Dans le passé, plusieurs projets ont clairement montré l’intérêt de la surveillance embarquée : CROMATICA (CROMATICA, CROwd MAnagement with Telematic Imaging and Communication Assistance) [1], PRISMATICA (PRISMATICA, PRo-active Integrated Systems for Security MAnagement by Technological, Institutional and Communication Assistance) [2]. De nombreux projets s’intéressent aujourd’hui à l’amélioration des techniques de perception en embarqué et dans les enceintes de transport. Nous pouvons citer les projets auxquels le laboratoire a pris ou prend une part active soit sur les aspects audio/vidéo, soit sur la partie télécommunications : SAMSIT (SAMSIT, Système d’Analyse de Médias pour une Sécurité Intelligente dans les Transports Publics) [3], ETISEO (ETISEO, Evaluation du Traitement et de l’Interprétation de Séquences Vidéo) [4], ESCORT (ESCORT, Enhanced diversity and Space Coding for underground metrO and Railway Transmission) [5], EVAS (EVAS, Etude de systèmes de Vidéo et Audio Surveillance Sans l) [6], BOSS (BOSS, On Board Wireless Secured Video Surveillance) [7]. Dans tous ces projets, le point clef de ces systèmes de surveillance réside dans la nécessité de transmettre périodiquement, ou à la demande en cas d’alarmes, les informations issues des capteurs audio et vidéo. Pour ce faire il convient de disposer d’un lien de transmission sans fil capable de supporter des débits importants et d’offrir une qualité de service ne dégradant pas l’information transmise. De nombreux systèmes dédiés à des flottes d’autobus ont déjà été testés. Le lien de communication entre le véhicule et l’infrastructure s’appuie sur des standards de communication existants. Citons à titre d’exemples :
les systèmes AIGLE et ALTAÏR de la RATP (RATP, Régie Autonome des Transports Parisien) [8] qui utilisent un lien de communication de type TETRA (TETRA, Terrestrial Trunked Radio) ,
les projets SECURBUS d’Integral Media à Belfort [9] et LOREIV à Marseille [10] pour lesquels un réseau TETRA ou TETRAPOL doit être déployé,
En 2004, la RATP a présenté au salon des transports publics un projet d’autobus « communiquant » possédant un lien de communication multiréseaux (GSM, GPRS, UMTS et WiFi (WiFi, Wireless Fidelity) ) à l’intérieur du bus. Dans ce système développé en étroite collaboration avec Naxos et Cisco Systems, un routeur permettait de passer d’un réseau à un autre selon la disponibilité optimale. Cette solution permettait de limiter la coupure du lien. Par contre, l’utilisation conjointe de ces réseaux hétérogènes ne permet pas de garantir continuellement le débit nécessaire à une bonne qualité de service.
La même année, le Projet TESS (TESS, Transport ESpace et Société) , dirigé par l’INRETS-LEOST [11] a aussi proposé un concept d’autobus communiquant expérimenté à Lille avec des autobus de Transpole et exploitant la dualité offerte par des systèmes terrestres et satellitaires. Le lien terrestre utilisait le standard GSM-GPRS alors que le satellite GLOBALSTAR assurait le lien descendant satellitaire par radiodiffusion. La dualité du système permettait la continuité du lien via un intergiciel spécifique qui permettait de mettre en attente les communications dans les zones de non disponibilité des systèmes. Un réseau Wifi était également déployé à l’intérieur du bus. L’ensemble des résultats disponibles sur ces expérimentations confirme que les débits offerts par les standards de communication sans fil existants dans le sens véhicule vers infrastructure sont largement insuffisants si l’on veut transmettre de la vidéo de qualité. En outre, plusieurs états de l’art récents réalisés au laboratoire [12], [13] conrment que les systèmes existants tels que GSM-GPRS (GSM, Global System for Mobile Communication) -GPRS (GPRS, General Packet Radio Service) , EDGE et UMTS (UMTS, Universal Mobile Telecommunication Services) n’offrent pas des débits suffisants en particulier sur le lien montant (autobus vers poste de contrôle) qui sera utilisé pour la transmission des données issues des capteurs audio et vidéo de façon périodique ou à la demande sur déclenchement d’une alarme. Les recherches visant l’augmentation du débit dans le monde des télécommunications sans fils visent principalement à répondre aux besoins d’Internet sans fil haut débit. Les exigences de haut débit sont essentiellement satisfaites dans le sens descendant pour des besoins de téléchargement et notamment de nombreuses recherches tentent d’optimiser l’usage des ressources spectrales à certaines heures, donnant accès à des débits plus importants et à coûts réduits en dehors des heures de pointe pour du téléchargement ou des échanges multimédia. Le débit effectif d’un système de transmission dépend des mécanismes de contrôle d’accès au médium de transmission, des mécanismes de contrôle d’erreurs, de la modulation et de la puissance d’émission. La poursuite des hauts débits à partir d’architectures de systèmes existantes passe donc par l’optimisation, séparée ou conjointe, des mécanismes de la couche contrôle de la liaison (DLC, Data Link Control du modèle ISO) et du schéma de mise en forme du signal transmis de la couche physique (PHY, Physical layer) [14]. Plusieurs pistes de recherche prometteuses, visant à améliorer les débits, sont identifiées aujourd’hui :
les techniques ultra large bande pour des liaisons courte portée,
les modulations multi porteuses,
la recherche de nouvelles familles de modulations numériques,
l’optimisation conjointe des fonctions de codage et de modulation,
les techniques itératives appliquant les principes des turbo codes,
les techniques dites Multi-Utilisateurs,
l’utilisation de réseaux d’antennes simultanément à l’émission et à la réception encore appelée techniques MIMO (Multiple Input, Multiple Output) et les traitements associés.
Les récents standards émergeants de type WMAN tels que la famille des standards WIMAX (WIMAX, Worldwide Interoperability Microwave Access) associent plusieurs de ces pistes (OFDM, Multi-Utilisateurs, turbo codes, MIMO …). Depuis plusieurs années, une partie des recherches menées au LEOST ont pour but la définition, la spécification et l’expérimentation de liens de communication très haut débit des véhicules de transport vers l’infrastructure en exploitant les techniques et les traitements MIMO [15]. Ainsi, les travaux présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans la continuité et en complémentarité des travaux menés par Jean-François Pardonche [16], dans le projet ESCORT et dans le projet EVAS. Ils constituent la base des recherches à venir dans les projets BOSS et URC (URC, Urbanisme des Radio Communications) . Ces travaux de recherche ont pour but de contribuer à la conception d’émetteurs/récepteurs adaptés à la problématique des transports réalisant un bon compromis performances-complexité à des coûts de réalisation raisonnables.
La norme IEEE 802.20
Le standard IEEE 802.20 MBWA (MBWA, Mobile Broadband Wireless Access) est un standard pour un réseau de communication sans fil métropolitain. La bande de fréquences des 3 GHz (sous les 3,5 GHz) [39] est aujourd’hui préconisée en Europe. Ce réseau de communication est entièrement conçu sur une architecture IP et doit autoriser des interopérabilités avec d’autres réseaux tel que le WiFi. Il est dédié et optimisé pour le transport et les services IP dans le cadre d’une mobilité pouvant atteindre 250 km/h. Les applications prévues sont essentiellement les services multimédia. Un des principes de son développement est la réduction des coûts de déploiement et d’exploitation afin de fournir au client un système plus accessible que l’UMTS. Bien qu’étant un réseau métropolitain, son coût et les performances attendues font que certains le considèrent comme un remplaçant ou une alternative sérieuse à la 3G. Les principales caractéristiques envisagées au début du développement du standard sont résumées dans le tableau 1.2 issu de [40]. Cependant les développements récents du standard laissent penser que les performances peuvent être encore supérieures [41]. Le standard IEEE 802.20 n’est pas encore abouti et a pris du retard. Cependant, il est possible de dégager quelques orientations technologiques des travaux réalisés :
L’utilisation de modulations multiporteuses tel que le Flash OFDM ou le MC-SCDMA,
La possibilité d’utiliser des techniques MIMO,
L’utilisation de codes LDPC pour l’étage de codage canal.
Le standard IEEE 802.20 se veut un système à large bande. Le type de modulation n’est pas encore défini, certains soutenant le MC-SCDMA (MC-CDMA, Multi Carrier Spread Code Multiple Access) et d’autres le Flash-OFDM (Flash-OFDM, Fast Low-latency Access with Seamless Handhof Orthogonal Frequency Division Multiplexing) . Cette dernière technique semble la plus plausible. Elle est basée sur l’OFDM et des techniques sur les couches protocolaires supérieures. Des essais réels effectués avec cette méthode par T-Mobile ont permis d’atteindre 5,3 Mbps et 1,8 Mbps respectivement sur les liens descendant et montant [42]. Des solutions techniques existent aujourd’hui mais sont propriétaires et non compatibles entre elles. Le standard supportera également la technologie MIMO. C’est la première fois que ces techniques sont autant étudiées dans le développement d’un standard de communication. En particulier plusieurs études ont porté sur la modélisation du canal et les codages spatio-temporel ou spatio-fréquentiel [43][44][45]. Les débits annoncés sont de l’ordre de 1 Mbps ce qui semble limité pour l’application visée dans ce travail de thèse.
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Table des matières
Introduction générale
1 Les techniques MIMO pour des communications sans l haut débit et robustes pour les transports
1 Les télécommunications sans l pour les transports publics urbains
2 Etat des recherches sur les techniques MIMO
3 Les standards de réseaux sans l pour du haut débit en mobilité
3.1 Classication des systèmes
3.2 La norme IEEE 802.20
3.3 Le WiMAX ou les normes IEEE 802.16x
4 Conclusion
2 Le canal de propagation MIMO
1 Introduction
2 Phénomènes physiques caractéristiques d’un canal de propagation
3 Représentation mathématique du canal MIMO
3.1 Représentation classique du canal MIMO
3.2 Représentation du canal MIMO par décomposition en canaux propres
4 Capacité d’un canal MIMO
4.1 Définition générale de la capacité
4.2 Paramètres affectant la capacité d’un canal MIMO
a) Influence de la corrélation spatiale
b) Influence d’un trajet prépondérant
c) Influence de la diversité de polarisation
4.3 Conclusion
5 Modèles de canal MIMO
5.1 Les modèles physiques
a) L’approche déterministe et semi déterministe
b) L’approche stochastique géométrique
c) Les modèles stochastiques non géométriques
5.2 Les modèles analytiques
a) Les modèles fondés sur la corrélation
b) Les modèles fondés sur les paramètres de propagation
c) Les modèles incluant la diversité de polarisation
5.3 Conclusion
6 Mesure et modélisation de canaux MIMO réels
6.1 Les congurations mesurées
6.2 Caractérisation des canaux et modélisation
a) Corrélation spatiale et capacité des canaux mesurés
b) Modélisation des canaux réels à diversité spatiale
7 Conclusion
3 Evaluation de la chaîne de transmission en simulation
1 Introduction
2 Présentation de la chaîne développée
2.1 L’émetteur
L’étage codage canal
Modulation et diversité spatiale
Rappel sur la modulation OFDM
Les trames de données transmises
2.2 Les récepteurs
Le choix des récepteurs à implémenter
2.3 Le récepteur classique
2.4 Le turbo récepteur
2.5 Description des algorithmes utilisés
a) Le décodeur spatio-temporel à entrées et sorties souples
b) Le décodeur du code convolutif
3 Comparaison des performances des deux récepteurs dans un canal connu
3.1 Impact du nombre d’antennes de réception dans un canal de Rayleigh
3.2 Canal de Rayleigh non corrélé
Influence du codage de la modulation
3.3 Transmission dans un canal NLOS fortement corrélé
4 Introduction de l’estimation du canal
4.1 Estimateur du maximum a posteriori (MAP)
4.2 Estimateur du Maximum de vraisemblance (ML)
4.3 Estimateur au sens des moindres carrés (LS)
4.4 Estimateur selon le critère de minimisation de l’erreur quadratique moyenne linéaire (LMMSE)
4.5 Choix des estimateurs testés
a) Impact de l’introduction de l’estimation du canal
b) Comparaison des estimateurs ML et MMSE
5 Influence de l’environnement de propagation
6 Conclusion
4 Réalisation d’une chaîne de transmission réelle
1 Introduction
2 Le module d’émission
2.1 Caractéristiques des générateurs
2.2 La génération des signaux et la synchronisation des voies
3 Le module de réception
3.1 Caractéristiques du récepteur RF
3.2 Acquisition des signaux
3.3 Caractéristiques de l’ordinateur dédié à l’acquisition et à la commande
a) Le matériel
b) Acquisition et traitement des données
4 Réalisation de transmissions réelles
4.1 Mise en place du matériel
4.2 Déroulement des mesures
5 Conclusion
Conclusion générale
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