Soutenance mémoire
La forte croissance démographique des populations entraîne de plus en plus de profondes mutations des villes modernes. Dans ce contexte, le transport contribue à la construction et à l’organisation de la vie des hommes, à travers leurs choix de lieux de résidence, d’activités et de loisirs. En effet, via une large gamme de systèmes, il permet la contraction de la dimension spatio-temporelle et offre, idéalement, une réponse à la problématique de mobilité des biens et des personnes. Parmi les nombreux modes de transport, le transport urbain guidé présente un réel intérêt en termes de sécurité en réduisant les risques de collisions, et de diminution des interactions avec l’environnement. De manière générale, le terme « transports guidés urbains » désigne les métros, les tramways et les autres systèmes ferroviaires similaires. Ce travail de thèse a porté essentiellement sur les métros dont le trafic est presque exclusivement souterrain (199,9 km en tunnel sur 219,9 km pour le métro parisien). Aujourd’hui, le fonctionnement des métros repose sur de très nombreux sous-systèmes informatiques et électroniques dédiés, alloués à des tâches spécifiques, qui coopèrent et interagissent afin de satisfaire à des exigences globales de qualité de service. Dans ce contexte, le nombre d’échanges d’information entre ces soussystèmes ne cesse d’augmenter. Aux transmissions d’information liées à l’exploitation et à la maintenance des matériels roulants et des voies s’ajoutent également la diffusion d’informations et de services à destination des agents et 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 [2]. Ainsi de nombreux systèmes de communication sans fil sont déployés pour assurer le bon fonctionnement de toutes ces applications pour les métros. Ces systèmes reposent sur des technologies telles que les communications ponctuelles par balises, les communications continues par ligne bifilaire croisée ou non et les systèmes de transmission sans fil propriétaires ou s’appuyant sur des standards tels que IEEE802.11x. Parmi ceux-ci, la radio constitue le moyen de communication qui se prête le mieux aux communications à moyenne ou longue distance entre le sol et les trains [2]. Aujourd’hui, les systèmes radio déployés pour satisfaire les besoins de l’exploitation et les besoins de services pour les clients reposent sur des modems Wi-Fi modifiés afin de répondre aux exigences ferroviaires [3]. Dans le même temps, les techniques multi-antennes ou techniques MIMO (Multiple Input Multiple Output) se sont largement imposées dans les standards télécommunications sans fil les plus récents (IEEE 802.11a/c/n, WIMAX, LTE) en raison des performances qu’elles offrent en termes d’augmentation du débit ou de la robustesse de la communication sans augmentation de la puissance émise. C’est donc naturellement que nous nous sommes intéressés à l’utilisation de ces techniques pour des applications de transmissions sans fil pour les tunnels de métros.
Transmissions sans fil pour le transport guidé urbain en tunnel
Les besoins en transmission des systèmes de transports guidés se sont multipliés dans le but d’augmenter la sécurité des déplacements, d’optimiser l’usage des infrastructures existantes en augmentant la fréquence des trains, de réduire les coûts de fonctionnement et de maintenance et ainsi de réduire l’impact des transports sur l’environnement. Par ailleurs, ces communications sans fil doivent opérer dans des environnements complexes tels que les tunnels. Dans cette section, la première partie sera consacrée à la description des caractéristiques des transmissions sans fil pour les transports publics urbains guidés. Ensuite nous mettons en évidence les contraintes de déploiement des systèmes radio liées à l’environnement tunnel pour les métros. Enfin nous présenterons les solutions existantes.
Caractéristiques des transmissions sans fil dans les transports guidés
Depuis de nombreuses années, les communications sans fil ne cessent d’augmenter pour satisfaire les besoins de transmissions des transports guidés. Ces systèmes répondent à des besoins opérationnels pour la sécurité et le confort, tels que le contrôle-commande des trains, la gestion du trafic, la maintenance, la surveillance et l’information aux passagers. Trois principaux types de liaisons peuvent être identifiés [4] :
— les communications sans fil entre les véhicules et l’infrastructure (V2I, Vehicle toInfrastructure) : il s’agit essentiellement des communications radio sol-train pour le contrôle-commande des circulations et la gestion de la signalisation, la diffusion d’informations ou d’alertes d’urgence à destination des usagers, la transmission d’informations pour la maintenance, le télé-diagnostic et aussi la vidéosurveillance de l’intérieur des métros retransmise vers un centre de contrôle ou encore le pilotage des rames de métros à distance.
— Les communications entre véhicules (V2V, Vehicle-to-vehicle) : ces communications peuvent être utilisées pour l’accouplage automatique de rame de métro, le dépannage à la volée entre deux trains. . . ;
— les communications intra véhicules : cette classe de communications regroupe les réseaux de communications pour les systèmes embarqués, les objets mobiles communicants embarqués pour les agents, la retransmission d’Internet à bord.
Toutes ces communications doivent en général répondre à des exigences exprimées par un client en termes d’indicateurs de performance clef ou KPI (Key Performance Indicators) qu’il pourra mesurer. Il est fréquent que ces applications partagent un même médium de communication. Deux grandes familles d’applications auxquelles sont associées des contraintes de performances existent :
— les applications dites de sécurité ou vitales (contrôle-commande ou CBTC, Communication Based Train Control). Ces applications de télécommunication mettent en jeu la sécurité (au sens de la panne/faute d’un système). Elles sont exigeantes en termes de robustesse, de disponibilité et d’intégrité de l’information mais la quantité d’information échangée est en général faible (10 kbits/s). La qualité de service, souvent mesurée en termes de taux d’erreurs par paquet transmis, ne doit pas dépasser une valeur seuil (typiquement un taux d’erreurs trames (TET) de l’ordre de 10⁻³ pour des longueurs de paquet d’environ 200 kilo-octets (ko)) pour des applications de contrôle-commande .
— les applications non-vitales (maintenance, surveillance ou CCTV, Close Circuit TeleVision, information voyageurs…). Ces applications requièrent beaucoup plus de débit. Les besoins en termes de débit dépendent des exigences de l’opérateur de transport et peuvent aller jusqu’à plusieurs centaines de Mbits/s. Les taux d’erreurs trame exigés sont de l’ordre de 10⁻² pour des longueurs de paquet d’environ 1000 ko. Il faut aussi noter que certaines transmissions vidéo telles que le pilotage vidéo sans fil d’une rame de métro sans conducteur sont à l’étude pour certains modes d’exploitation dégradés et feront partie des applications dites de sécurité avec des exigences en termes de taux d’erreurs semblables aux transmissions de sécurité, mais avec des contraintes de débit bien plus fortes.
Les contraintes pour le déploiement des systèmes radio en tunnel
La propagation des ondes radioélectriques dans les milieux confinés tels que les carrières, mines et tunnels dépend essentiellement de la nature, des dimensions et de la géométrie des parois de ces milieux. Plus particulièrement, lorsque la longueur d’onde est petite devant les dimensions des tunnels, on considère que les tunnels sont équivalents à des guides d’ondes diélectriques surdimensionnés [5–7]. La propagation est donc une propagation multi-modes en présence de modes hybrides EHmn (m et n sont des entiers caractérisant l’ordre des modes). Pour les modes hybrides, les vecteurs champ électrique et champ magnétique possèdent trois composantes non nulles. Les modes d’ordre supérieur (par exemple à partir de m et n égaux à 7 et 8 ) sont sujet à une forte atténuation loin de l’émetteur [5]. Les modes les moins atténués sont les modes d’indice m et n les plus faibles. Les modes hybrides peuvent être à polarisation verticale et horizontale. Dans un tunnel rectiligne de section rectangulaire, les coefficients d’atténuation peuvent s’exprimer assez simplement en fonction des indices m et n, des dimensions du tunnel et des caractéristiques des matériaux les composants [7]. Les modes hybrides subissent aussi des réflexions et diffractions multiples. Des effets de masques supplémentaires sont constatés lors de présence d’autres trains et de courbes. Dans [8] les auteurs mettent en évidence la décorrélation liée aux interférences entre les modes de propagation. Dans [9], les auteurs montrent que la diversité spatiale peut être comparée et équivalente à la diversité de modes. En fonction de la position transversale ou longitudinale de l’émetteur dans le tunnel, des modes EHmn différents peuvent être excités. Cela a été confirmé par [10]. Dans [1], les auteurs illustrent de façon claire l’influence de l’excitation des modes, et donc du positionnement des antennes, sur les performances d’un système MIMO. Lorsque les antennes sources sont perpendiculaires à l’axe transversal du tunnel, la capacité du canal est maximale alors que lorsque les antennes sont parallèles à l’axe longitudinal, la capacité est minimale.
En outre, plusieurs études menées dans le domaine ferroviaire ont mis en évidence la présence d’arc électriques au voisinage des antennes de transmission du GSM-R dû aux défauts de contact entre la caténaire et le pantographe lors du déplacement d’un train à grand vitesse. Ces arcs électriques sont à l’origine d’un bruit non gaussien de type impulsif [11]. Ce phénomène peut aussi exister dans le cas des métros à vitesse plus basse alimentés par une caténaire. Dès lors, il est important de pouvoir modéliser correctement les environnements de propagation afin d’évaluer les performances des systèmes de communications.
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Table des matières
INTRODUCTION
1 Transmissions multi-antennes pour le transport guidé urbain en tunnel
1.1 Introduction
1.2 Transmissions sans fil pour le transport guidé urbain en tunnel
1.2.1 Caractéristiques des transmissions sans fil dans les transports guidés
1.2.2 Les contraintes pour le déploiement des systèmes radio en tunnel
1.2.3 Les systèmes de communications sans fil existants dans les transports guidés
1.3 État de l’art des techniques MIMO
1.3.1 Introduction
1.3.2 Les précurseurs
1.3.3 Les trois grandes classes de techniques MIMO
1.3.3.1 Le multiplexage spatial
1.3.3.2 Le codage spatio-temporel (ST)
1.3.3.3 Les algorithmes de précodage
1.3.3.3.1 Le beamforming ou formation de faisceaux
1.3.3.3.2 La sélection d’antennes
1.3.3.4 Les techniques MIMO multi-utilisateurs
1.4 Les techniques MIMO en tunnel ferroviaire
1.4.1 Problématique
1.4.2 Canal MIMO en tunnel
1.4.2.1 Performance des techniques MIMO en tunnel
1.4.3 Positionnement et Contributions de la thèse
1.5 Conclusion
2 Modélisation du système
2.1 Introduction
2.2 Caractéristiques d’un canal radio mobile
2.2.1 L’atténuation
2.2.2 Les multi-trajets
2.2.3 La dispersion des retards
2.2.4 L’Effet doppler
2.2.5 Le bruit radioélectrique
2.2.6 Notion de diversité
2.2.7 La corrélation
2.3 Modélisation de systèmes MIMO
2.3.1 Représentation Classique
2.3.2 Décomposition du canal en canaux propres
2.4 Canaux MIMO considérés
2.4.1 Modèle de Kronecker
2.5 Algorithmes de réception associés aux systèmes MIMO
2.5.1 Technique du « zero forcing-ZF »
2.5.2 Minimisation de l’Erreur Quadratique Moyenne – MMSE
2.5.3 Maximum de vraisemblance-MV
2.5.4 Détection souple des symboles
2.6 Algorithmes d’émissions associés aux systèmes MIMO
2.6.1 Multiplexage Spatial
2.6.2 Codage spatio-temporel
2.6.3 Précodage
2.6.3.1 Précodeurs diagonaux
2.6.3.2 Le précodeur POSM
2.6.3.3 Le précodeur max-dmin
2.7 Capacité des systèmes MIMO précodés
2.7.1 Capacité instantanée
2.7.2 Capacité ergodique
2.7.3 Capacité de coupure
2.8 Conclusion
3 Techniques de précodage MIMO dans un système réaliste en environnement tunnel
3.1 Introduction
3.2 Modélisation de la CSIT Imparfaite
3.3 Précodage MIMO avec voie retour bas débit
3.3.1 Précodeurs à base de dictionnaire
3.3.1.1 Le précodeur max-dmin quantifié
3.3.1.1.1 Génération du dictionnaire max-dmin quantifié
3.3.1.1.2 Sélection de la matrice de précodage
3.3.1.1.3 Quantité d’information sur la voie retour
3.3.1.2 Le précodeur LTE
3.3.1.2.1 La génération du dictionnaire
3.3.1.2.2 Sélection de la matrice de précodage
3.3.2 Précodeurs sans dictionnaire
3.3.2.1 POSM quantifié
3.3.2.2 Précodage fondé sur la matrice de corrélation
3.3.2.2.1 Structure du précodeur Corap
3.4 Comparaison des performances des précodeurs quantifiés dans le tunnel
3.4.1 Les scénarios issus des mesures dans le tunnel
3.4.2 Les paramètres de simulations
3.4.3 Estimation parfaite du canal
3.4.3.1 Comparaison des précodeurs quantifiés
3.4.3.2 Influence de la quantification
3.4.3.3 Réduction de la taille du dictionnaire du max-dmin
3.4.4 Estimation imparfaite du canal
3.5 Conclusion
CONCLUSION
