Patrice Pajusco Division R&D

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1 Patrice Pajusco Division R&D 24 octobre Techniques de caractérisation Résultats expérimentaux Paramètres d'analyse statistique Modélisation statistique 1

2 1 Données indispensables aux modèles de propagation Analyse des phénomènes physiques Calibration des modèles déterministes Elaboration des modèles statistiques Différents types de mesure Mesures de champs Mesures de réponse impulsionnelle Mesures spatio-temporelles (simplement et doublement directionnel) 2

3 Le canal de propagation intègre les antennes Largeur de bande très importante : GHz Forte résolution spatiale : qq cm Influence majeure de la fréquence Les antennes sont incluses dans la mesure Présence de "brouilleurs" dans la bande Très peu de marge sur le bilan de liaison Nonstationaritédelapositiondestrajets Canal Ultra Large Bande et variable dans le temps 3

4 Générateur d'impulsions Canal radio Oscilloscope numerique Générateur arbitraire Principe Transmission d'impulsions très étroites Estimation directe avec un oscilloscope numérique Avantages / inconvénients Bilan de liaison limité Dynamique de mesure faible Implémentation facile Temps d'acquisition faible Equipements disponibles pour couvrir la bande UWB Très proche d'un système réel 4

5 Canal radio Analyseur de réseau vectoriel Principe Balayage en fréquence Implémentation avec un analyseur de réseau "dopé" Estimation de la réponse impulsionnelle avec S21 Avantages / inconvénients Impossibilité de mesurer un canal variable dans le temps L'émetteur et le récepteur sont reliés La puissance émise est constante Pas de limite en fréquence Très bonne dynamique Facilité d'implémentation 5

6 Canal radio Principe Transmission d'une séquence pseudo aléatoire Estimation par correlation ou inversion Avantages / inconvénients Equipement "unitaire" et expérimental Largeur de bande limitée Puissance transmise constante Fort gain de traitement Possibilité de mesurer des canaux dynamiques 6

7 Technique systématiquement utilisée en large bande A N Technique systématiquement utilisée en large bande Extension en SIMO par duplication du RX A N A N A N 7

8 Technique systématiquement utilisée en large bande Extension en SIMO par duplication ou commutation du RX A N Technique systématiquement utilisée en large bande Extension en SIMO par duplication ou commutation du RX Extension en MIMO par duplication ou commutation (RX-TX) A N Principe d'un sondeur MIMO par commutation 8

9 Exploitation conjointe de l'approche fréquentielle et temporelle Mesure de sous-bandes adjacentes Mesure par la technique de compression d'impulsions Principales difficultés Saut de fréquence très rapide Synchronisation émetteur et récepteur Calibration et recollement des sous-bandes Commutateur rapide 10 1 LNA Transposition descendante (1,5 GHz) CAG Transposition descendante (250 MHz) N A Sondeur multi-capteurs large bande initial 9

10 Commutateur rapide 10 1 LNA Transposition descendante (1,5 GHz) CAG Transposition descendante (250 MHz) N A Vers le mélangeur en émission Sondeur multi-capteurs large bande modifié pour l'uwb Spécifications de départ (Mode SIMO large bande) Largeur de bande : 250 MHz 10 entrées maximum Temps d'acquisition : 2.4 µs (Répétition 1.2 ms) 60 db AGC dynamic range Spécifications finales (Mode SISO UWB) Largeur de bande 1 GHz (2 GHz envisageable) Temps d'acquisition : 50 µs (Répétition 1.2 ms) Modifications mineures (aussi bien matérielle et logicielle) 60 db AGC dynamic range 10

11 2 CMA 118, type monocône, 1-18 GHz Dédiée aux mesures de propagation UWB Polarisation linéaire "Forte" sensibilité à la fréquence 3GHz 7GHz 10GHz 11

12 Environnement bureautique et couloir Situation de visibilité et non visibilité 120 points de mesure Sondage bande UWB ( GHz) LNA CMA 118 Contrôle vidéo PC de pilotage des équipements HP8510 CMA 118 LNAs Moteur Contrôleur moteur Réception "Sondeur de canal" Emission 12

13 Trajet direct Multi-trajets Puissance relative (db) Distance-retard (m) Estimation des pertes par propagation ( GHz) LOS : N d =1,62 NLOS : N d =3,22 13

14 Configuration LOS Groupement des trajets de propagation en clusters Dispersion des retards : RMS =4,1ns( =2,7ns) Configuration NLOS Décroissance exponentielle du cluster Dispersion des retards plus importante : RMS =9,9ns( =5ns) 14

15 Puissance relative (db) Distance-retard (m) 15

16 Etude de l'effet des personnes sur une liaison UWB Trajet direct TX Puissance relative (db) Webcam au niveau de l'antenne Distance-retard (m) 16

17 Etude de l'effet des personnes sur une liaison UWB Puissance relative (db) Distance-retard (m) Utilisation de réseaux d'antennes Linéaire, planaire, circulaire, sphérique Réel, virtuel Analyse par synthèse de diagramme d'antenne (BeamForming) Analyse en dépointant par simulation Niveau des lobes secondaires élevé Analyse par des techniques à haute résolution 17

18 Trajet direct Réflexion simple 18

19 Trajet direct Reflexion simple Réflexion double 3 19

20 Exemples de réponses impulsionnelles UWB Fonction de transfert correspondantes Synthétiser l'information contenue dans les réponses impulsionnelle ou les fonctions de transferts Trouver des paramètres pertinents d'un point de vue système Privilégier des paramètres robustes Utiliser conjointement les paramètres pour l'évaluation des mesures et des modèles 20

21 Retard moyen Etalement des retards Fenêtre des retards à x % Intervalle des retards à x db Bande de cohérence à x % = () = () = ( ) ( ) 21

22 () = () = () = ( ) ( ) π = 22

23 Généralisation des paramètres temporels Retard moyen angle moyen Etalement des retards étalement angulaire Nécessité de définir un début et une fin (circularité) Influence significative de la taille et forme du réseau Caractérisation des évanouissements rapides par des lois de distributions statistiques Rayleigh Rice Weibull Nakagami Validation par des tests d'adéquation : Kolmogorov-Smirnov Analyse des évanouissements des multi-trajets, de la puissance globaleoudelapuissance 23

24 Pente de l'affaiblissement moyen Pente des clusters Taux d'arrivée des rayons 4 24

25 Modélisation simplifiée des effets du canal Synthèses de nombreuses expérimentations Classification par environnement et configuration Utilisation dans différents contextes Validation d'algorithme : "Calibration" Simulation du lien radio : "Link Level simulation" Simulation global du système : "System level simulation" τ Amplitude (db) τ Γ τγ Cluster τ τ γ τ Réalisation Stochastique Rayons τ γ T 1 T 2 T 3 Retards 25

26 θ ( ) = ( ) τ β δ τ τ = = β ( ) Γ = β τ γ λτ τ ( ) τ Λ ( ) = Λ = T l, τ k,l L : Instant d'arrivée des clusters et des rayons : Nombre de clusters : Taux d'arrivée des clusters et des rayons Γ, γ : Décroissance inter et intra clusters θ k,l : Phase uniformément sur [0, 2 [ : Nombre de rayons du cluster l K,l Représentation de la réponse impulsionnelle par une somme finie de trajets retardés et atténués ( τ) = ( ) δ ( τ τ ) = Chaque trajet est caractérisé par un temps de retard une puissance moyenne une distribution statistique un spectre Doppler 26

27 Limitations Faible nombre de trajets / largeur de bande Fonction de transfert périodique Avantages Simplicité de représentation Simplicité d'implémentation Possibilité d'implémentation matérielle Nombreuses déclinaisons en normalisation Modèle ETSI GSM : TU (1993) 0 2 Amplitude relative (db) Amplitude linéaire Temps Retards de retard (ns) (µs) Décalage Doppler (v/λ) 27

28 Modèle ETSI BRAN : Model A (1998) 0 2 Amplitude relative (db) Amplitude linéaire Temps Retards de retard (ns) (ns) Décalage Doppler (v/λ) Modèle 3GPP TR : TU (2000) 0 2 Amplitude relative (db) Amplitude linéaire Temps Retards de retard (ns) (µs) Décalage Doppler (v/λ) 28

29 Modèle destiné à la définition d'une couche physique pour des réseaux de capteurs Développé entre 09/2003 et 09/2004 Modèle générique paramétré en fonction des environnements 6 environnements considérés Indoor residential Indoor office Industrial Body Area Network Outdoor Agricultural area Modèle générique Effet des antennes traitées séparément Affaiblissement en distance Effet de la fréquence Extension du modèle de Saleh-Valenzuela Liste de l'ensemble des paramètres 29

30 Amplitude relative (db) rayons 219 rayons 226 rayons Temps Retards de retard (ns) (ns) Etape 1 : Tirage statistique des rayons de chaque cluster 0-5 Amplitude relative (db) Temps Retards de retard (ns) (ns) Etape 2 : Ajout de l'effet de shadowing 30

31 0-5 Amplitude relative (db) Temps Retards de retard (ns) (ns) Etape 3 : Application de l'effet de fréquence 31

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