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1 Evaluaon des performances d un sysème de localsaon de véhcules de ranspors gudés fondé sur l assocaon d une echnque rado ULB e d une echnque de reournemen emporel. Bouna FALL To ce hs verson: Bouna FALL. Evaluaon des performances d un sysème de localsaon de véhcules de ranspors gudés fondé sur l assocaon d une echnque rado ULB e d une echnque de reournemen emporel.. Oher. Unversé de Valencennes e du Hanau-Cambress, 13. French. <NNT : 13VALE8>. <el > HAL Id: el hps://el.archves-ouveres.fr/el Submed on 4 Apr 14 HAL s a mul-dscplnary open access archve for he depos and dssemnaon of scenfc research documens, wheher hey are publshed or no. The documens may come from eachng and research nsuons n France or abroad, or from publc or prvae research ceners. L archve ouvere plurdscplnare HAL, es desnée au dépô e à la dffuson de documens scenfques de nveau recherche, publés ou non, émanan des éablssemens d ensegnemen e de recherche franças ou érangers, des laboraores publcs ou prvés.

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3 Thèse de docora Pour obenr le grade de Doceur de l Unversé de VALENCIENNES ET DU HAINAUT-CAMBRESIS Dscplne, spécalé selon la lse des spécalés pour lesquelles l Ecole Docorale es accrédée : Elecronque Ecole docorale : Scences Pour l Ingéneur SPI Par Bouna, FALL. Souenue le 14/11/13, à Valencennes Equpe de recherche, Laboraore : Insu d Elecronque, de Mcro-Elecronque e de Nanoechnologe/Déparemen d Opo-Acouso- Elecronque IEMN/DOAE Insu Franças des Scences e Technologes des Transpors, de l Aménagemen e des Réseaux Elecronque Ondes e Sgnaux pour les Transpor IFSTTAR-LEOST Evaluaon des performances d un sysème de localsaon de véhcules de ranspors gudés fondé sur l assocaon d une echnque rado ULB e d une echnque de reournemen emporel JURY Présden du jury - Adjrad, Mounr. Asssan professeur, Unversé de Souh Bank de Londres, Angleerre. Rapporeurs - D-Benedeo, Mara Gabrella. Professeur à l unversé Sapenza de Rome, Iale. - Benlarb-Dela, Azz. Professeur à l unversé Perre e Mare Cure, Pars. Examnaeurs - Adjrad, Mounr. Asssan professeur, Unversé de Souh Bank de Londres, Angleerre. Dreceur de hèse - Heddebau, Marc. Dreceur de Recherche à l IFSTTAR, Llle. Co-dreceur de hèse : Menhaj-Rvenq, Aka. Professeur à l Unversé de Valencennes e du Hanau Cambréss, Valencennes. Encadran : Boukour, Fouza. HDR, Chargée de Recherche à l IFSTTAR, Llle. Membres nvés - Sayegrh, Khald, Dreceur d'advanten, Rennes.

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5 Remercemens Je remerce l IFSTTAR d avor fnancé ces ravaux de recherche. Je ens égalemen à remercer Mr. Charles Takeu, dreceur du LEOST, Mr. Jamal Assad, dreceur de l IEMN DOAE, ans que chacun des membres des deux équpes, de leur accuel, leur encouragemen e de m avor perms d effecuer mes ravaux de hèse parm eux. Je ens à exprmer oue ma reconnassance à mes dreceurs de hèse, Marc Heddebau, Dreceur de Recherche, HDR IFSTTAR-LEOST e Aka Rvenq Professeur des unversés, IEMN-DOAE, pour la confance qu ls m on accordée ou au long de ces ros années de recherche, ans que pour leurs préceux consels. Travaller sous leur responsablé m a énormémen apporé sur le plan scenfque. Je remerce chaleureusemen Fouza Boukour, Chargée de Recherche IFSTTAR- LEOST pour son encadremen de grande qualé, ses nombreux consels e son souen consan ou au long de ma hèse. Sa rgueur ans que son espr crque m on oujours perms d avancer dans les bonnes drecons afn de mener à ben ses ravaux de recherche. Je remerce, Mme Mara Gabrella D Benedeo, Professeur à l unversé de Sapenza de Rome e Mr. Azz Benlarb Dela, Professeur à l unversé Perre e Mare Cure, qu on accepé d êre rapporeurs de cee hèse. Mes sncères remercemens von égalemen à l endro de Mr. Mounr Adjrad, Asssan professeur à l unversé de Souh Bank de Londres, qu a ben voulu parcper à ce jury en an qu examnaeur. Je ens à monrer oue ma graude à ous les membres de l IFSTTAR de Vlleneuve d Ascq. Je remerce ou parculèremen Jean Perre Ghys, Ingéneur d éude à l IFSTTAR LEOST, pour sa dsponblé e son ade préceux pour la réalsaon de mes expérmenaons. Je ens égalemen à remercer Danel Bourboe pour son ade à la reprographe. Je veux adresser ous mes remercemens à ma famlle pour son encouragemen e son souen préceux. Mes pensées von parculèremen vers ma mère, mes sœurs, mes frères, mas surou vers mon cher oncle Mar Tonon pour son asssance, son encouragemen ses consels e son dévouemen afn que je mène à ben mes éudes. 3

6 Je ens égalemen à remercer mon épouse, qu a su me comprendre e me souenr ou au long de cee hèse. Enfn, je remerce ous mes ams, ans que ous mes collègues des laboraores LEOST, ESTAS e IEMN-DOAE, pour avor rendu ces années de hèse les plus agréables possbles. 4

7 Table des maères Remercemens... 3 Inroducon Générale... 7 Chapre 1 : Ea de l ar sur les echnques de localsaon pour les ranspors gudés Inroducon Généralés sur les sysèmes de localsaon exsans Les sysèmes de localsaon en espace lbre Technques de communcaon/localsaon dans les ranspors gudés Les exgences en ranspors gudés Le sysème des balses KVB Le sysème ERTMS Conranes e défallances Sysème ULB-RT proposé e éudé dans ce raval de hèse Concluson Chapre : Inroducon aux sysèmes ULB-RT Inroducon La echnologe Ulra Large Bande ULB Défnon de l ULB Évoluon hsorque Prncpales caracérsques de l ULB Approches ULB Réglemenaon de la echnque ULB en ranspor rouer e ferrovare La echnque de reournemen emporel Hsorque e applcaons de la echnque du RT RT applqué aux ondes élecromagnéques Les caracérsques du RT Mérques e algorhmes de localsaon assocés Mérque basée sur les dfférences de emps d arrvée TDOA Sysèmes d émsson rado mpulsonnelle RI-ULB Emeeurs RI-ULB Formes d ondes RI-ULB Les dfférens ypes de modulaon RI-ULB Technques d accès mulple pour l ULB mpulsonnel Modélsaon du canal de propagaon rado ULB Paramères caracérsques d un canal de propagaon rado Technques de modélsaon d un canal de propagaon rado Modélsaon du canal de propagaon dans le conexe ULB Sysème de récepon RI-ULB Concluson... 8 Chapre 3 : Éude héorque e évaluaon par smulaon du sysème de localsaon ULB-RT proposé Inroducon Évaluaon des caracérsques du RT en conexe ULB Prncpe de l éude Paramères d enrée e modèles de canaux ulsés Approche analyque e smulaons

8 3. 3 Évaluaon des caracérsques du RT dans une confguraon mul-anennes : Mulple Inpu Sngle Oupu MISO Évaluaon des performances des sysèmes de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT Prncpes e dsposfs en smulaon Éude comparave des performances des sysèmes de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT Impac de la forme d onde Impac de la fréquence d échanllonnage Impac de l erreur de désynchronsaon Tmng jer Concluson Chapre 4 : Valdaon expérmenale du sysème de localsaon ULB-RT Inroducon Dsposf e paramères d expérmenaon Descrpon générale Envronnemen de ype chambre anéchoïque Envronnemen ndoor Pare émsson Résulas d expérmenaons Valdaon des caracérsques du RT Appor du RT au sysème de localsaon ULB Concluson Concluson générale e perspecves Références bblographques Publcaons e communcaons scenfques Annexes A : Régulaon du specre ULB aux Eas-Uns e en Ase Annexe B : Reournemen Temporel RT Annexe C : Table des fgures e Table des ableaux

9 Inroducon Générale Ces dernères années, les opéraeurs e les usagers des ranspors publcs, noammen gudés, on exprmé une demande de plus en plus fore afn de dsposer de ranspors plus sûrs e plus performans, offran une melleure qualé de servce. Pour répondre à ces dfférens besons, l es prmordal d assurer un échange d nformaons enre véhcules e nfrasrucure quel que so le ype d applcaon ou l envronnemen de propagaon. Il s avère ans nécessare d assurer un échange d nformaon enres véhcules e nfrasrucures, mas égalemen de permere la localsaon des rans avec une grande précson. L évoluon rapde des moyens de ranspor en maère de vesse, de complexé e la dversé des envronnemens renconrés posen des dffculés e créen des lmes pour assurer ce échange d nformaon e cee localsaon précse. De nombreux ravaux on éé accompls en ce qu concerne l opmsaon de cee communcaon sol-rans. Ces ravaux on eu un mpac déermnan noammen en ce qu concerne l auomasaon négrale des méros. Une communcaon sol-rans à haue dsponblé s avère ans de plus en plus vale pour une exploaon performane du sysème de ranspor. Cee communcaon exploe des pons d accès le long des voes e, selon l ndusrel fournsseur du sysème de sgnalsaon ferrovare, ulse so des modems rado propréares, so des modems rado dérvés de normes exsanes. Acuellemen, ous ces modems rado exploen des sources de sgnaux snusoïdaux afn d assurer cee foncon de élécommuncaon sol-rans. Ce ype de communcaon requer ypquemen un déb d nformaon de quelques Mbps e une couverure radoélecrque rès proche des 1 % de l espace e du emps. Un sysème de localsaon précs absolue ou relave des véhcules s avère égalemen nécessare. La précson de localsaon recherchée c es mporane e do permere, à re d exemple, aux véhcules de s arrêer précsémen devan des pores palères, so une précson obenue répévemen de quelques cenmères. Rompan avec les echnques courammen employées afn de mnmser les conranes de l envronnemen de propagaon, l emplo de echnques des de dversé specrale que l on rerouve égalemen sous la dénomnaon de echnque rado Ulra Large Bande ULB peu répondre effcacemen à cerans de ces nouveaux besons. Le prncpe des communcaons ULB repose sur l'émsson de sgnaux à fable pussance e de specres exrêmemen larges, permean d'obenr des débs mporans e égalemen de facler des mesures de emps de vol des sgnaux rès précses. L ULB peu égalemen êre assocée avec prof à la echnque 7

10 de reournemen emporel. Cee dernère consue une echnque de focalsaon de l énerge rayonnée par une anenne ou pluseurs anennes d émsson vers une ou pluseurs anennes de récepon grâce à l nseron au nveau de l émeeur d un flre adapé au canal. L assocaon orgnale enre echnque rado Ulra Large Bande e, reournemen emporel pour une localsaon précse des rans consue le cœur de nore raval de hèse exposé dans ce mémore. Nore conrbuon, pore sur l éude de la fasablé d une balse de localsaon desnée à fournr aux rans une nformaon de localsaon précse lors de leur passage à cerans endros crques de la voe. En effe, les rans possèden une cenrale odomérque composée de dfférens capeurs proprocepfs els que ours de roue, radar Doppler qu permeen de calculer connumen les données de vesse e poson. Cependan, les données fournes par cee cenrale son enachées d une dérve qu l mpore de compenser ous les quelques klomères. C es le rôle arbué aux balses-sol de localsaon qu fournssen, au passage des rans un op de posonnemen klomérque précs, permean de corrger ces dérves. Pour des conranes, noammen de précson e de élé almenaon, ces balses son acuellemen dsposées à la voe, enre les rals e mposen de ce fa des conranes lors des opéraons de manenance de celle-c. Afn de paller cee conrane, nous proposons d éuder une soluon où les balses se rouven dsposées à quelques mères, sur le côé de la voe. Ce raval de hèse vse nalemen à évaluer l appor de la echnque de reournemen emporel sur la qualé de la localsaon à une dmenson, le long de la voe e dans ce envronnemen de propagaon complexe mas a pror sable. Il vse égalemen à vérfer s la conjoncon de echnques ULB e RT auorse l obenon du nveau de précson décmérque requs pour nore applcaon. Le premer chapre de ce mémore présene l éa de l ar relaf aux echnques de localsaon exploées parculèremen en ranspors gudés. Une premère présenaon es fae poran sur les élémens généraux concernan les sysèmes de localsaon exsans e leurs domanes d applcaon. Ensue, nous présenons de manère plus déallée les sysèmes de communcaon e de localsaon ulsés en ranspors gudés en mean en exergue les prncpes généraux ms en œuvre, les dfférenes echnques de localsaon exsanes, ans que les conranes lées à ces dernères. La dernère pare de ce chapre es consacrée à la descrpon du sysème de localsaon proposé e exploré dans ce raval. Dans le deuxème chapre, nous présenons la echnologe rado ULB pus la echnque de Reournemen Temporel RT en denfan les élémens clés respecfs, e en présenan les 8

11 prncpaux aous poenels de cee assocaon ULB-RT. Les élémens récens relafs à l ulsaon de l ULB noammen en maère de réglemenaon e de normalsaon son présenés en mean en évdence le conexe applcaf dans le domane des ranspors ferrovares. La dernère pare du chapre es consacrée à la présenaon des prncpales mérques de localsaon exsanes e des algorhmes de posonnemen assocés. La deuxème pare du chapre es consacrée à la présenaon des dfférens élémens de la pare émsson d un sysème rado ULB mpulsonnel. Dans cee pare, les formes d mpulsons qu peuven êre ulsées e les echnques de modulaon assocées son présenées. Les prncpales echnques de modélsaon d un canal de propagaon ans que les modèles de propagaon rado ULB le plus souven renconrés dans la léraure son ensue rappelés. La dernère pare du chapre présene les dfférens ypes de récepeurs rado ULB exsans. Le rosème chapre es consacré à l éude e à l évaluaon des performances du sysème de localsaon assocan la echnologe Ulra Large Bande e la echnque de reournemen emporel ULB-RT. Nous y abordons nore conrbuon scenfque en présenan dans la premère pare du chapre l évaluaon des caracérsques du RT e son appor à l ULB. Dans cee pare, une éude héorque poran sur les propréés du RT es effecuée en ulsan deux modèles de canal. L un, basé sur une approche déermnse e le second, sur le modèle IEEE a. La deuxème pare du chapre es consacrée à une éude comparave en ermes de performance de l erreur de localsaon enre le sysème de localsaon ULB convenonnel e le sysème de localsaon ULB-RT. Dans le derner chapre du mémore, nous présenons les résulas des ess expérmenaux effecués afn de valder nos résulas héorques e de smulaon. Nous y présenons le dsposf expérmenal, le prncpe e les méhodes adopées, pus, une éude comparave es effecuée enre les résulas héorques, les résulas de smulaon e les résulas expérmenaux. La dernère pare de ce mémore es consacrée à la concluson générale de ce mémore ans qu à la présenaon de perspecves pour la sue de ce raval de recherche. 9

12 Chapre 1 : Ea de l ar sur les echnques de localsaon pour les ranspors gudés 1

13 1. 1 Inroducon Afn de proposer aux opéraeurs e aux usagers des ranspors publcs, noammen gudés, des ranspors plus sûrs e plus performans, offran une qualé de servce accrue, l es prmordal d assurer un échange d nformaons enre véhcules e nfrasrucure quel que so l envronnemen de propagaon. Il s avère auss nécessare de localser rès précsémen les rans. L arrvée de nouvelles echnologes rado a perms de répondre de manère effcace à ceranes de ces exgences. Mas, dans un envronnemen rès complexe el que celu d une emprse ferrovare, ces exgences ne son pas oujours asées à mere en œuvre pus à valder, surou en présence de nombreux obsacles fxes e mobles consués par les véhcules de ranspor. Ce chapre es consacré à un éa de l ar poran sur les echnques, essenellemen rado, de localsaon exploées parculèremen en ranspors gudés. Nous présenons ou d abord quelques élémens généraux concernan les sysèmes de localsaon exsans e les applcaons vsées. Par la sue, une présenaon plus déallée, relave aux sysèmes de communcaon e de localsaon employés en ranspors gudés, es effecuée. Dans cee pare, quelques prncpes généraux ms en œuvre son nalemen présenés pus, nous en dédusons ceranes exgences fondamenales à sasfare afn d assurer un fonconnemen sûr e effcace. Nous présenons ensue les dfférenes echnques de localsaon exsanes, ans que les conranes lées à ces dernères. Nous conclurons ce chapre par une descrpon du sysème de localsaon spécfque proposé e exploré duran ce raval de hèse. 1. Généralés sur les sysèmes de localsaon exsans Pendan longemps, la localsaon éa ulsée par les professonnels comme les marns qu avaen beson de connaîre leur poson absolue régulèremen. De nos jours, ces ulsaeurs se rouven généralemen dans des espaces où la connué de servce fourne par les sysèmes de navgaon saellares présenés à la secon suvane es mporane. L'avanage de ces sysèmes de localsaon es majeur pour le suv d objes sur un vase errore. Beaucoup d'applcaons son ans nées ces dernères années en logsque, dans la proecon conre les vols, le suv des marchandses e des coneneurs, le suv des véhcules... La lse des applcaons es rès large e de nouveaux besons apparassen régulèremen ces dernères années. On peu cer comme exemples les applcaons de sécuré lée aux personnes e la proecon des personnes à rsques comme les enfans e les personnes âgées, les sysèmes d ade à la moblé pour les malvoyans, la survellance de personnes dans le 11

14 mleu carcéral e égalemen la localsaon de mobles ou de cols dans des enrepôs. Dans le domane de la roboque en mleu ndusrel, la localsaon perme de guder les robos dans des endros dffclemen accessbles ou conamnés pour exécuer dfférenes âches. Aujourd hu, de nombreuses applcaons grand publc son égalemen apparues comme la localsaon/navgaon de son propre véhcule en vlle, des servces de gudage de pore à pore exploan ous les modes de ranspors publcs accessbles ou encore la localsaon d une personne dans un bâmen. Ceranes de ces dernères applcaons s effecuen dans des envronnemens mons favorables aux echnques saellares. Afn d exploer à mondre coû l nfrasrucure de réseaux préexsans e déjà massvemen déployés, un aure mode de radolocalsaon es apparu depus quelques années sur les réseaux de radoéléphone cellulare. Il exploe les données ransan sur les réseaux de éléphone moble afn de localser les mobles. Enfn, encore plus récemmen, de nombreuses echnques de radolocalsaon son apparues pour la localsaon en nerne «ndoor». Comme pour les réseaux sans fl, la grande majoré des sysèmes envsagés exploe l nfrasrucure de réseaux de communcaon préexsans. Ces sysèmes de localsaon son présenés de façon générale dans cee secon Les sysèmes de localsaon en espace lbre Il exse ros approches ulsées pour localser e/ou posonner des objes mobles en espace lbre : les sysèmes de navgaon par saelles : l obje moble se localse à l ade de sgnaux éms e reçus en provenance de consellaons de saelles e la déermnaon de pseudo dsances vs-à-vs de pluseurs de ces saelles. L ulsaeur exploe un récepeur appropré [1]. les sysèmes exploan les echnques de radoéléphone numérques fondées sur les réseaux cellulares ou soluons erresres ou les réseaux sans fl WF. : l obje moble es localsé à l ade des sgnaux qu l ransme au réseau G, 3G, WF, RFID ou déermne sa poson à l ade des sgnaux reçus depus les saons de base ou des pons d accès de ce réseau [1]. Une rosème approche nommée méhodes hybrdes ou coopéraves assoce les réseaux sans fl erresres e saellares [1]. 1

15 Le sysème de navgaon par saelles L nérê majeur d un sysème de navgaon par saelles par rappor aux aures echnques de localsaon ven du fa que sa couverure es rès large, sans que l opéraeur n a d nfrasrucure erresre éendue à enreenr, e que le coû des récepeurs s avère lmé. Il es cependan nécessare de développer une nfrasrucure assocée performane pour le conrôle des sysèmes saellares e erresres nécessares. Il exse acuellemen pluseurs servces mondaux de localsaon par saelles opéraonnels, ou en phase de consrucon, ayan pour objecf prncpal d assurer une couverure globale à l échelle de la erre e don les domanes d applcaons son rès éendus. Le Tableau 1.1 présene quelques domanes d applcaon des sysèmes de localsaon. Le sysème d GPS pour Global Posonng Sysem es un sysème amércan opéraonnel depus 1994, GLONASS es un sysème développé par les russes parellemen opéraonnel e GALILEO es en cours de déploemen par les européens. D aures sysèmes son égalemen en préparaon, noammen en Chne e en Inde. Les prncpes généraux ms en œuvre par ces sysèmes son smlares. Nous rappelons c le prncpe du sysème GPS. GPS es le sysème de localsaon par saelles probablemen le plus connu. Il a éé conçu au débu des années 197 par le Déparemen de la Défense des Éas-Uns. Son suv es égalemen assuré par ce derner []. La localsaon GPS s appue sur le prncpe de rangulaon. Un récepeur, nsallé sur un véhcule, mesure le emps de propagaon du sgnal du saelle jusqu à sa poson. Il en dédu la dsance «d» le séparan du saelle. Connassan la poson X, Y, Z du saelle au momen de l émsson dans un espace à 3 dmensons, l ensemble des pons possbles où pourra se suer le récepeur GPS es la sphère don le cenre es le saelle e don le rayon es la dsance «d». En procédan de même avec un deuxème saelle, on calcule l nersecon des deux sphères. Celle-c forme un cercle qu représene l ensemble des posons que peu prendre le récepeur GPS. Un rosème saelle rédu les posons possbles à deux pons. S l ulsaeur se sue à la surface de la Terre, seul un des pons es cohéren. Le récepeur déermne ans sa poson en élmnan le pon ncohéren [3]. Un quarème saelle corrge les décalages lés à la synchronsaon mparfae enre horloges saelles e récepeur. Une llusraon du prncpe de la localsaon par GPS es présenée Fgure 1.1. Les sysèmes GPS convenonnels auorsen à l heure acuelle, après l abandon de la dégradaon sélecve de servce l y a quelques années, des précsons de posonnemen régulèremen de l ordre de 1 m pour le domane cvl, e de 5-15 m pour le 13

16 domane mlare, dans 95% des cas. Les dernères évoluons dfférenelles DGPS pour Dfferenal GPS, elles que les sysèmes SBAS pour Saelle-Based Augmenaon Sysem permeen, quan à elles, d aendre des précsons de 1-3m dans 95% des cas en corrgean la poson obenue par le GPS convenonnel à l ade de données relayées par une ou pluseurs saons GPS erresres fxes [3]. Une lme du sysème GPS résde dans le fa qu l ne peu êre employé que s l anenne du récepeur es en vue drece avec les saelles. Pour cee rason, l ne peu pas êre employé dans les envronnemens nernes ou dans des mleux confnés bâmen, parkng, unnels e exernes urbans où les grands buldngs obsruen le sgnal ssu des saelles. Domane Applcaons rouères Transpors ferrovare, marme e aéren Suppor aux méers Applcaons lées à la moblé Locaon Based Servces Losrs Servces d urgences e de sécuré Fonconnalés Gudage e orenaon, servces d urgence e d nervenon, geson de floe loueurs, ranspor de fonds, axs, nformaons relaves au rafc, proecon des véhcules conre le vol, péages, applcaon de sécuré rouère, «Boes nores» enregsremen consel de vesse conrôle de rafc urban e pérurban Geson e régulaon du rafc, nformaon de l usager, geson de floe Topologe, repérage, cadasre, géodése, géne cvl, synchronsaon de réseaux de cenres, daaon, agrculure, sylvculure, pêche, méers de l envronnemen localsaon des espèces, Informaons locales géolocalsées, Asssance à la navgaon, servces d urgence e11 Commerce Rouage/Facuraon de la éléphone cellulare Asssance personnelle non-voyans, personnes non auonomes Vole, randonnée, rallye rad, chasse au résor, recherche d ams Ambulance, polce, lue an-ncende, sauveage, proecon ndvduelle, raçablé de manère dangereuse Tableau 1. 1 : Domanes d applcaon d une localsaon globale Fgure 1. 1 : Prncpe de la localsaon par GPS 14

17 Un problème majeur du dsposf es que le sysème consue une boe nore peu documenée pour laquelle une démonsraon de sécuré assocée à la sécuré de l nformaon de localsaon calculée es mpossble. Afn de paller ce problème majeur, des augmenaons régonales elles que EGNOS en Europe, WAAS en Amérque du Nord développées nalemen pour les besons de l avaon cvle enen d augmener l négré de l nformaon de localsaon calculée. Les sysèmes saellares on perms de fournr un servce de localsaon présenan une grande couverure géographque. Cependan, ceranes zones resen prvées de ce servce essenellemen dans les zones urbanes denses e à l néreur de bâmens. Pour reméder à cee lmaon, d aures sysèmes on prs le relas els que les sysèmes cellulares Le sysème de radoéléphone cellulare La localsaon par denfcaon de cellule appelée auss Cell-ID ulse le réseau de radoéléphone cellulare don le fonconnemen connue d êre assuré le plus souven à l néreur des bâmens : dans les bâmens, les enrepôs, les unnels don cerans son désormas équpés de sysèmes de reransmsson de radoéléphone cellulare e souven les parkngs. Le prncpe de la localsaon Cell-ID, présené sur la Fgure 1., consse à denfer au nveau du réseau la cellule dans laquelle l obje moble se rouve e à ransmere à ce moble la poson connue de la saon de base qu desser la cellule. Un avanage de cee méhode es représené par le fa qu aucun calcul n es ulsé pour déermner la poson, la méhode es ans rès rapde. L nconvénen majeur es lé au fa que la précson de cee echnque es drecemen proporonnelle à la dmenson de chaque cellule qu peu varer enre quelques dzanes de mères e quelques klomères, en foncon de la complexé de l envronnemen de propagaon, du nombre d ulsaeurs desservs e de l envronnemen. Fgure 1. : Localsaon par Cell-ID vor possblé de changer la fgure 15

18 D aures méhodes, basées sur la mesure du emps de vol du sgnal, son auss développées. Cons noammen : La méhode E-OTD Enhanced - Observed Tme Dfference développée nalemen par Cambrdge Posonng Sysems. Elle opère dans les réseaux GSM e GPRS. Le éléphone moble envoe un sgnal aux saons de base se suan à proxmé de celuc. La saon la plus proche renvoe un sgnal réponse analysé par un serveur dédé pour déermner la poson du moble dans la zone couvere par la saon de base. La méhode O-TDOA Observed Tme Dfference of Arrval nécesse la récepon au nveau de l obje moble des sgnaux provenan d au mons ros saons de base. La poson de l obje moble es donnée par l nersecon d au mons deux hyperboles résulan de la dfférence des reards des sgnaux, provenan des saons de base prses par deux. La méhode U-TDOA Uplnk Tme Dfference of Arrval, développée par TruePoson [1], compare les emps d arrvée au nveau des saons de base des sgnaux ransms par l obje moble. Aucune modfcaon n es nécessare au nveau de l équpemen moble. La précson de la méhode dépend du nombre de saons de base dsponbles e de leur densé. Toues ces echnques procuren de bons résulas dans le cas où l obje moble se rouve en vsblé drece avec la/les saons de base. Dans le cas où les mobles ne se rouven pas en vsblé drece, l esmaon de leur poson es foremen dégradée. La précson es rès sensble aux condons de propagaon du sgnal e les phénomènes els que la dsperson, la dffracon e les rajes mulples nrodusen des erreurs. Le Tableau 1. présene une éude comparave de ces prncpales echnques de localsaon en ermes de précson [4]. Cee dernère es rès varable de quelques mères à quelques dzanes de mère en foncon de la echnque ulsée e de l envronnemen spécfé. Méhodes Cell-ID Angle Of Arrval AOA Uplnk Tme Of Arrval U-TDOA Enhanced Observed Tme Dfference E-ODT Tme Of Arrval TOA Précson 1 m 35 km 5 m 15 m 5 m 15 m 6 m m 3 m 1 m Tableau 1. : Comparason des prncpales echnques de localsaon en espace lbre en ermes de performances précson 16

19 À l nverse d un sysème de navgaon par saelles, le fa que les rappors sgnaux à bru son plus favorables donne aux réseaux de communcaon erresres e en parculer à coure porée la possblé de se localser à l néreur des bâmens. Ces réseaux son déployés dans les bâmens e leurs domanes d'applcaons son rès vases. Que ce so dans le domane du ranspor, de la sané, de la sécuré, du commerce, ou de la logsque, les aenes pour une soluon de localsaon nerne «ndoor» se fon de plus en plus grandes. Des précsons de l ordre du mère son aegnables grâce à ces réseaux locaux. Ceranes applcaons elles que les ranspors publcs noammen gudés exgen une localsaon avec une précson rès mporane, nécessan alors une nfrasrucure dédée e souven coûeuses. D aures echnques comme celles par ags acfs/passfs ou de vson consuen auan d aures moyens exploés pour se localser. Cependan, ces echnologes présenen des pons fables qu peuven devenr des frens quan à leur déploemen, noammen le coû e la complexé d nsallaon synchronsaon des horloges des élémens enre eux, condons parculères d nsallaon, angle de vue. Quelques unes de ces echnologes de localsaon son brèvemen présenées c-après La localsaon par ag nfrarouge L un des premers sysèmes de localsaon ulsan la echnologe nfrarouge es le sysème Acve Badge élaboré enre 1989 e 199 [5]. Le moble à localser es équpé d un ag nfrarouge émean un sgnal nfrarouge oues les 1 secondes. Les récepeurs son nsallés au plafond dans chaque pèce de l envronnemen. Ces récepeurs son relés enre eux pour former un réseau permean de déecer le ag acf. Comme dans le sysème Acve Ba/Crcke Fgure 1.3, le sysème nfrarouge éme une sére de pulses. Cee echnologe a éé reenue à cee pérode car elle es peu coûeuse. De plus, la porée des capeurs ulsés es de 6 m. Pour des ulsaons dans de pees pèces, de nombreuses réflexons son présenes e faclen la déecon. Un désavanage par rappor aux echnologes rado es que ces sgnaux ne raversen aucune closon, même légère, ce qu confne la porée du sysème à une pèce ou coulor. La présence de la lumère du jour, sous ceranes ncdences peu auss consuer un fren au développemen de cee echnologe car cee lumère perurbe le fonconnemen du récepeur nfrarouge La localsaon par onde rado RFID, Blueooh, WF Les ondes rado possèden la propréé de pouvor raverser cerans obsacles renconrés habuellemen dans les bâmens, de sore qu'une localsaon peu êre envsagée sans avor 17

20 accès, en oues posons de la zone à couvrr, à une vson drece avec les émeeurs. On dsngue pluseurs caégores d nerfaces de localsaon. Fgure 1. 3 : Prncpe de fonconnemen du sysème Acve Ba La echnque Rado Frequency IDenfcaon RFID : le prncpe du RFID es basé sur l ulsaon d équees rado qu peuven êre fxées sur des objes e d un leceur rado, fxé généralemen sur le moble don on souhae esmer la poson. Il es auss possble d équper les personnes d équees rado e les bornes fxes de leceurs RFID. Ce chox es fa en foncon de la alle de la zone à couvrr, du nombre des personnes à localser e du coû prévu pour l nfrasrucure. En approchan un moble d une borne équpée d une rado équee RFID, celle-c fourn la poson géographque grâce à un échange de sgnaux rado. Il s ag d un sysème de localsaon par proxmé. La porée de ces équees rado dépend de leur ype d almenaon. Une équee acve qu conen sa propre almenaon possède une porée supéreure comparée à une équee passve. Mas la porée d un sysème RFID rese lmée e vare en général de quelques cenmères à une dzane de mères au maxmum. Grâce à son fable coû, cee echnque es rès ulsée aujourd hu, noammen dans le domane ndusrel, pour la localsaon e la geson des marchandses. Cee echnologe peu faclemen êre combnée à d'aures sysèmes de localsaon pour affner la localsaon à cerans endros. La fable porée du sysème e la conrane de passer l équee sur un leceur fon qu un aure sysème rado à plus grande porée do êre ulsé afn de rendre une cerane lberé à l ulsaeur e que le servce de localsaon so 18

21 dsponble dans l ensemble du bâmen, avec un mnmum d nfrasrucure. Les réseaux locaux sans fl de ype WF 8.11 consuen ans une bonne alernave. Le WF : les sgnaux WF peuven, eux auss, êre ulsés à des fns de localsaon. Pluseurs argumens son en faveur de l'ulsaon des ondes WF pour la localsaon. Le premer avanage concerne l'nsallaon d'un sysème de localsaon ulsan le WF pusqu'l ne nécesse essenellemen qu une mse à jour logcelle. En effe, de nombreux bâmens e leux publcs son déjà équpés en pons d'accès WF Access Pon ou AP que l'on peu ulser à des fns de localsaon e, de la même manère, la plupar des ermnaux porafs son déjà capables de communquer en WF. Aux fréquences ulsées, ces ondes son auss capables de raverser cerans obsacles. Un ceran nombre de sgnaux de conrôle son éms pour gérer le roamng lors du déplacemen de l équpemen moble. Ces sgnaux permeen à l ulsaeur de reser connecé avec le pon d accès avec lequel le rappor sgnal à bru RSB es le melleur. La localsaon par WF es réalsée généralemen à l ade du calcul de la pussance car cee mérque ne nécesse pas de modfcaon des bornes exsanes. La localsaon à parr de la pussance du sgnal peu s effecuer de deux manères dfférenes. La premère consse à ulser un modèle de propagaon pour calculer la dsance qu sépare le moble des bornes WF, pour ensue esmer la poson du moble par rlaéraon. La seconde méhode es basée sur le prncpe de fngerprnng moyennan un calbrage préalable. Cee méhode nécesse la réalsaon d une base de données qu le chaque poson géographque du moble à des valeurs de pussances reçues. La porée des pons d accès peu aller jusqu à 3 m pour des envronnemens oudoor en ndoor, cee porée es généralemen comprse enre 5 e 7 mères [6], ce qu s avère suffsan pour couvrr bon nombre de bâmens. D un aure côé le prx de ces echnques es aujourd hu relavemen bas e ce ype de echnologe deven accessble afn de permere la couverure rado négrale d un grand bâmen vore d une vlle, de façon économquemen vable. La echnologe Blueooh : le prncpe es smlare à celu de la localsaon par denfcaon de cellule dans le cas du réseau moble. La poson du moble es assmlée à celle du cenre de la cellule assuran la communcaon. La précson de localsaon obenue par cee echnologe dépend du nombre de cellules e de leur alle. Ans, pour permere une localsaon précse, l deven nécessare d nsaller 19

22 un grand nombre de capeurs, ce qu rend l mplémenaon de cee echnque rès coûeuse. Cependan, ces sysèmes n auorsen pas les résoluons mporanes nécessares à ceranes applcaons, noammen celles en ranspor que nous éuderons en parculer dans des conexes de mulrajes denses. Les pons clés pour les applcaons de ranspors son d une par la résoluon e/ou la précson emporelle permean d assurer des mesures de dsance suffsammen précses e, d aure par, la robusesse e l adapablé vs-à-vs d envronnemens de propagaon dffcles e spécfques. Ceranes des echnologes cées précédemmen, son exploées dans le domane du ranspor erresre. Cependan, dans le cas parculer des ranspors gudés, où les exgences en ermes de sécuré e de sûreé de fonconnemen son beaucoup plus mporanes, l es nécessare de développer des echnques plus robuses e répondan meux aux exgences de ce ype d applcaon. La echnque rado Ulra Large Bande ULB consue une echnologe émergene don les performances en ermes de localsaon son promeeuses pour l applcaon aux ranspors gudés. Une présenaon déallée de cee echnque es fourne dans le chapre Technques de communcaon/localsaon dans les ranspors gudés Les exgences en ranspors gudés De nos jours, les ranspors gudés els que les méros, ramways e rans se son mposés dans la plupar des méropoles du monde comme une soluon rès effcace en maère de ranspor urban. De nombreux avanages par rappor aux véhcules personnels voures, moos, deux roues moorsés e aux auobus explquen ce succès [7] : rapdé, sécuré, fablé, fable polluon du paysage e de l amosphère, ec. Un ceran nombre d exgences fondamenales doven êre sasfaes afn de mere en œuvre ces sysèmes de ranspor gudés. Celles-c son regroupées en 4 caégores : La sûreé de fonconnemen La sûreé de fonconnemen regroupe l ensemble des exgences requses en maère de proecon du rafc. Elles concernen à la fos les véhcules e les équpemens au sol. Ceranes normes dsponbles décrven les procédures à mere en œuvre duran le cycle de

23 ve d un sysème de ranspor gudé e les acvés à mener pour assurer smulanémen sa dsponblé, sa fablé e sa manenablé. De façon générale, le fonconnemen sûr d un sysème de ranspor gudé nécesse la supervson du fonconnemen du sysème à ravers les échanges d nformaon vox e/ou données enre les véhcules e le sol où es sué généralemen un Pose de Commande Cenralsée PCC [7]. Ces nformaons concernen fondamenalemen la poson, la vesse e l denfcaon des véhcules en lgne. Le sol fourn en reour des nformaons sur l éa d occupaon de la voe ans que les vesses auorsées. Le sysème embarqué dans le ran exploe ces nformaons pour réguler sa vesse e, dans le cas d une exploaon en canons 1 fxes, pour s arrêer complèemen avan le franchssemen vers un canon occupé. Cee foncon es appelée : Auomac Tran Proecon ATP ou Proecon Auomaque du Tran. Dans cerans réseaux de méro, cee proecon s éend au conrôle-commande e ploage des plaeformes dans lesquelles les véhcules crculen. Il s ag dans ce cas du couple Auomac Tran Operaon ATO ou Opéraon Auomaque du Tran, Auomac Tran Conrol ATC ou Conrôle Auomaque du Tran [7]. En d aures ermes, l objecf es d assurer le respec des règles d exploaon e d éver les accdens L opmsaon d usage Le problème du développemen des réseaux e des moyens de ranspor ans que la dffculé de créer de nouveaux ses propres de ranspor, noammen en zones urbanes mposen un usage opmal de l nfrasrucure créée. S l opmsaon de l usage des nfrasrucures consue un élémen clé, l opmsaon de la crculaon des rans en es un aure. Cec se radu par la nécessare prse en compe dans les processus d opmsaon de l aspec économque au sens économe d énerge de la condue des rans. Il s ag d un mpéraf qu se jusfe an pour des rasons de préservaon des ressources énergéques que pour des mofs de compévé économque [8]. Gérer la crculaon sur les nfrasrucures nécesse auss de connaîre avec une précson suffsane la localsaon e la vesse des dvers convos afn de pouvor prendre les mesures approprées à la suaon réelle. La géolocalsaon consue donc un faceur clé e, y comprs s une voe ferrée s apparene à un sysème à une dmenson, des progrès doven êre réalsés pour connaîre avec précson e de façon sûre la poson des rans présens à la voe. Il s ag là encore d un mpéraf de sûreé de fonconnemen assocé à un beson d effcacé. 1 Secon de voes délmées par des sgnaux 1

24 Les nformaons ssues du élédagnosc conrbuen égalemen à cee opmsaon e serven à ancper les défallances e les rsques de collson [9]. Les nformaons ssues de saons comme le nombre de blles acheés, la densé des voyageurs son des élémens qu permeen une offre de ranspor opmsée e concouren égalemen à une melleure dsponblé des rans. L exploaon des mleux souerrans conrbue égalemen à l augmenaon de la capacé des sysèmes de ranspor e à la fludé du réseau de ranspor en surface. L opmsaon d usage vse essenellemen à garanr le respec des horares e déla e à offrr une bonne flexblé La sécuré Assurer la sécuré des ranspors gudés, noammen ferrovares es le bu premer de la sgnalsaon. Ce objecf représene un réel déf echnque, car les dsances de frenage des rans son ben plus mporanes que celles des voures. À 1 ou 16 km/h, cee dsance sera de pluseurs cenanes de mères ; à rès grande vesse, elle sera de pluseurs klomères. Tan sur lgnes convenonnelles que sur lgnes à grande vesse, l es dès lors nécessare que le conduceur du ran reçove en emps ule les nformaons nécessares à la condue [1]. Dans le cas des méros auomaques, l sera nécessare en oure, de pouvor arrêer le véhcule rès précsémen, parfos devan les pores palères, avec une précson de quelques cenmères. La sécuré des usagers dans les saons e les moyens de ranspors en général consue un beson fondamenal s l on souhae manenr le for engouemen acuel pour les ranspors gudés. L opéraeur a souven beson de veller sur ses équpemens conre les aces de vandalsme e d assurer le éléconrôle e la élésurvellance de ses ses sensbles depus le PCC. La vdéosurvellance consue un moyen souven ms en œuvre Les servces aux passagers Sous l effe de la compévé e avec la progresson des servces nerne, un nombre mporan de servces aux passagers a vu le jour. Cerans son rapdemen devenus d mporance majeure els les annonces sur le rafc, vore de sécuré appel d urgence, d aures renren dans la caégore confor e dsracon du voyageur els les servces mulmédas e nerne mééo, oursme, musque, ec.. Ces servces renden les moyens de ranspor plus performans, plus aracfs, rédusen l mpac sur l envronnemen e permeen l exenson des servces de élécommuncaon jusque dans l emprse du sysème de ranspor.

25 Les professonnels de la logsque e du ranspor ulsen parculèremen les sysèmes de localsaon. Cela leur perme d'une manère générale d'avor une nformaon en emps réel sur les horares, sur les problèmes de ranspors. La sécuré es amélorée e les rajes peuven êre opmsés pour gagner du emps e du carburan. On rerouve donc ces applcaons dans les ranspors en commun, les ranspors rouers, aérens, e marmes on parle d'une manère générale de sysème de ranspor nellgen. La localsaon des véhcules es donc prmordale dans le domane des ranspors gudés, c es l un des faceurs clés des exgences cées précédemmen. Cee foncon de localsaon es parfos combnée avec celle de communcaon. Le beson de localsaon des rans se renconre généralemen sur [11] : Les sysèmes de condue manuelle des rans doés de dsposfs de proecon auomaque ; Les sysèmes à condue auomaque, pour lesquels la connassance précse de la poson du ran par les auomasmes de ploage es ndspensable ; Sur les sysèmes neropérables de conrôle-commande de la crculaon des rans de ype ERTMS présenés plus lon don la sécuré repose fondamenalemen sur la connassance de la poson des rans Posve Tran Conrol ; Pour des applcaons relaves aux rans pendulares, pour lesquels les commandes d acon de pendulaon son calculées en foncon des nformaons relaves à la poson du ran e donc aux caracérsques de la voe, de façon à opmser la vesse de ce ype de rans ; Pour des applcaons de suv des rans lées au fre avec le développemen du fre ferrovare à grande vesse ; Pour des applcaons relaves à la manenance des nfrasrucures Localsaon des défaus sur la voe ou à la manenance du maérel ransmsson de l éa des capeurs ou élédagnosc vers les cenres de manenance en cerans pons du réseau ; La localsaon des rans par le gesonnare d nfrasrucure pour facurer l usage des nfrasrucures aux opéraeurs de ranspors péage ferrovare Pluseurs sysèmes de communcaon/localsaon son ulsés dans le domane ferrovare, e on pour bu prncpal de conrbuer à la garane de la sécuré de crculaon des rans, en proégean les pons de danger e en régulan le rafc, ou en évan en pare les prncpaux rsques majeurs présenés sur la Fgure

26 1. 3. Le sysème des balses KVB Dans les années 197-8, le ranspor ferrovare a connu une sére d accdens rappelan que la sécuré n éa pas absolue. Au cours des années 8, le manen du nombre de franchssemens de sgnaux d arrê à un nveau élevé e la convcon des expers qu l sera mpossble d amélorer cee suaon par la seule formaon condu la SNCF à envsager un sysème de conrôle de vesse. Son objecf éa, de par sa foncon de boucle de rarapage, de dmnuer la probablé de franchssemen d un sgnal d arrê fermé. Le sysème KVB es alors proposé. Le sysème KVB e ses évoluons son depus ulsés pour le conrôle de la vesse des rans sur le réseau ferrovare franças e ben au-delà. Ils fonconnen dans la bande de fréquences des 7 MHz pour le len monan e de 4.5 MHz pour le len descendan. Le sysème KVB a pour objecf : Le respec des lmaons de vesse, emporares ou permanenes, en cas de défallance du conduceur ; L'arrê des crculaons avan les sgnaux d'arrê fermés ; Le conrôle de ralenssemen lors du frenage Prncpes de fonconnemen Le sysème conrôle la vesse du ran à ou momen e, en foncon des données qu lu son apporées par les organes de voe e du ran, l do, s le conduceur ne prend pas les mesures qu s mposen, lancer les opéraons d arrê auomaque e/ou de frenage d urgence. Une fos que ces nformaons venues du PCC au sol son connues lors du passage au dro de balses, le calculaeur déermne e ancpe à chaque nsan la vesse maxmale auorsée e la vesse bu du ran, jusqu à la prochane balse. Ce derner peu affcher sur le panneau en cabne des aleres e des alarmes évenuelles. S le mécancen ne réag pas après une alere donnée, alors le sysème déclenchera un arrê auomaque. Le ran opèrera sa phase de décéléraon. Celle-c devra êre conrôlée en permanence afn d'arrêer le ran dans les condons de sécuré requses. Les Tableaux 1.3 e 1.4 [1], présenen respecvemen les dfférenes données e les dfférens organes assocés au sysème KVB. Conrôle de vesse par balses l'nale «K» es ulsée à la place du «C» pour ne pas confondre conrôle avec commande 4

27 Le «nez à nez» : Deux rans se rerouven face à face sur la même voe Le «rarapage» : Le ran suveur rarape celu qu le précède La «prse en écharpe» : Un ran arrve sur un agullage déjà occupé par un ran venan d une aure drecon Le rsque de dérallemen Fgure 1. 4 : Prncpaux rsques majeurs dans le domane ferrovare Données sol profl Données bord Classe du ran renré par le mécancen Données fxes Vesse maxmale Longueur renré par le mécancen Données varables Dsance de bu de la vesse maxmale Ea de la sgnalsaon encombremen de la voe e chox de drecon Dsance de bu de la sgnalsaon Tableau 1. 3 : Données exploées par le sysème KVB Capacé de décéléraon Vesse maxmale Vesse nsananée Accéléraon nsananée Vesse de bu 5

28 Une premère pare de ce dsposf es nsallée à bord du ran, elle compore prncpalemen un ordnaeur de bord connecé à une anenne fxée sous le ran. Cee anenne communque avec des balses fxées enre les deux rals de la voe, lorsque le ran passe audessus de ces balses. La Fgure présene une balse KVB fxée au sol [1]. En foncon des nformaons données par les balses, l ordnaeur de bord calcule les courbes de vesse opmales que le ran do suvre e, au cours du raje, compare la vesse du ran avec les courbes calculées. Le sysème nforme ans le conduceur à chaque fos que la vesse du ran dépasse les vesses défnes par les courbes de vesse calculées. Le non-respec de ces courbes sur une dsance prolongée enrane un frenage d urgence du ran. Le sysème KVB n es ouefos pas nalemen consdéré comme un sysème de sgnalsaon, c'es-à dre qu l ne perme pas la ransmsson des nformaons lées à la sgnalsaon laérale, el que les feux de sgnalsaon. La Fgure 1. 6 présene l organgramme de fonconnemen du sysème KVB. Localsaon Organe Foncon Voe Balse KVB Collece des données sol e envoe vers le ran Châsss ran Uné de dalogue sol/ran Communcaon avec la balse Boge ran Cenrale achymérque Mesure de la vesse e de l accéléraon du ran Morce Dsjonceur Geson du crcu élecrque de pussance racon Elecrovanne Geson du crcu d ar comprmé frens Pose de condue Pupre de condue Appor de la vesse de bu Tableau 1. 4 : Organes composan le sysème KVB Fgure 1. 5 : Balse KVB fxée sur la voe 6

29 Fgure 1. 6 : Organgramme du raemen des données par les dfférens organes du sysème KVB Equpemens consufs du KVB Le sysème KVB es composé d équpemens sol e d équpemens bord. Equpemens sol Les maérels au sol du KVB consuen les nerfaces enre les sgnaux mplanés le long de la voe e la ransmsson qu pore les messages vers le véhcule ferrovare. Les nformaons à ransmere son de deux ypes : des nformaons varables pour les ndcaons des sgnaux ; des nformaons permanenes pour les connues du ran. Concernan les nformaons permanenes, celles-c son codées lors de la mse en place de la balse. Pour les nformaons varables, les balses son relées à un codeur nsallé à proxmé, dans l'armore de sgnalsaon exsane. L'nformaon correspond à l'éa de la sgnalsaon lampe allumée sur le panneau. Il exse un rosème ype de balse "le marqueur" qu es ulsé en seconde poson lorsqu'une seule balse es réellemen nécessare. En effe, pour des rasons de sécuré du message ransms e pour déecer le sens de crculaon concerné, l exse oujours au mons deux balses par pon d'nformaon. Equpemens bord Une anenne suée sous la morce du ran cape les nformaons émses par la balse au sol. Celle-c es une balse-mror passve, c es à dre sans almenaon propre en énerge ; l engn moeur éme une énerge à 7 MHz cadencée à plus basse fréquence afn de fournr un 7

30 sgnal d horloge. L énerge assocée élé almene la balse au sol. Cee dernère exploe cee énerge e la renvoe au ran par des sgnaux à 4,5 MHz poran le codage désré. Un calculaeur embarqué prend le relas pour les ransmere après raemen sur un panneau de données sué en cabne, à la dsposon du conduceur. Les nformaons reçues en cabne consuen une ade à la condue. On renconrera sur le panneau en cabne deux ypes de vsualsaeur : auxlare qu affche la vesse bu vesse à aendre après renconre de sgnaux à dsance ; prncpal qu affche la vesse conrôlée. Le sysème KVB permean des échanges poncuels d nformaons rans-sol aen ses lmes pour les lgnes à for déb e/ou vesses de crculaon élevées, noammen dans les suaons perurbées. Par alleurs, les balses KVB son dsposées sur la voe, enre les rals e mposen de ce fa des conranes lors des opéraons de manenance de celle-c bourrage de la voe afn de compléer le ballas. Avec la consrucon européenne à la fn des années 8, l a éé observé, que les sysèmes de sgnalsaon en Europe éaen ncompables e cec créa de nombreuses dffculés lés aux ranspors ferrovares arrê des rans aux fronères pour des changemens de locomoves e/ou de conduceurs ; complexé des sysèmes embarqués ; suaons opéraonnelles complexes à gérer par les opéraeurs ec.. Le sysème European Tran Managemen Sysem ERTMS a dès lors éé né e développé depus dans l objecf de créer un sysème comple de geson du rafc ferrovare neropérable en Europe Le sysème ERTMS Le sysème ERTMS a pour vocaon d nsaurer un sysème unque de sgnalsaon commun à l ensemble des pays de l Unon Européenne e désormas au-delà. L objecf es de facler le passage des fronères, ouvrr le marché de la sgnalsaon ferrovare, augmener les vesses commercales, rédure les nervalles enre deux rans, dmnuer les coûs de manenance e assurer une sécuré maxmale [13]. Il se déclne en ros nveaux de fonconnalés : Nveau 1 de l ERTMS : La lgne es découpée en canons fxes muns de crcu de voe permean la déecon de présence des maérels ferrovares. Ces canons son longs de quelques cenanes de mères à,5 km. On dspose d une sgnalsaon opque lumneuse en amon de chaque canon correspondan au code suvan [14]: 8

31 - Feu rouge : la rame ne peu pas enrer dans le canon ; - Feu ver : la rame peu enrer dans le canon. Les règles d espacemen son : - Le feu es rouge s le canon es occupé ou s ce canon précède un canon occupé ; - Le feu es ver s le canon es lbre. Ans l exse oujours un canon lbre enre deux rans, ce espace de sécuré es appelé une «zone ampon». En saons, des «Ploes Auomaques» PA son en charge de 3, 4 ou 5 canons. Ils son en lason enre eux e avec le Pose de Conrôle e de Commande PCC qu gère l ensemble des nformaons sur la lgne. Les PA communquen l nformaon «canon lbre» ou «canon occupé». Les nformaons son ransmses poncuellemen du sol aux rans par des balses nommées «eurobalses» la Fgure 1.7 présene une balse ERTMS. Généralemen, oues les balses son espacées de à 3 km le long de la voe [14]. Ces eurobalses recuellen les nformaons d occupaon des canons e de resrcon de vesse va une nerface avec les panneaux de sgnalsaon nommée : LEU Lnesde Equpmen Un. Par exemple, s un feu rouge es franch, les eurobalses émeen un sgnal d arrê auomaque qu enclenche le frenage d urgence à l néreur du ran. La Fgure 1.8 représene une llusraon de ce nveau 1 de l ERTMS. Fgure 1. 7 : Balse ERTMS KVB fxé sur la voe La localsaon des rames pour éver les collsons ou pour récupérer des rames en panne perme ou d abord de savor quel canon elle occupe. Cee nformaon es relevée par les ploes auomaques PA e envoyée au pose de conrôle e de commande PCC qu coordonne ous les nérares. Cependan, s on veu encore augmener la fréquence de passage des rames e rédure les dsances enre elles, la localsaon par canons n es plus assez précse. Un aure dsposf es alors ulsé. Cee fos c, la rame accède à sa poson exace sur la voe grâce à une roue phonque ou un radar Doppler qu mesure la dsance parcourue. Des 9

32 bornes klomérques son dsposées sur la voe pour corrger les erreurs cumulées de mesure de la roue phonque l usure es un faceur d erreur par exemple. Lorsque la rame survole la borne, elle l sa valeur e prend cee valeur comme poson acuelle. Cee nformaon de localsaon es alors exploée par la rame elle-même ou ransmse au sol. Fgure 1. 8 : Nveau 1 ERTMS Nveau de l ERTMS : Dans le nveau, le conrôle connu de la vesse des rans s effecue égalemen à parr de la localsaon des rans par crcu de voe. La lgne es oujours découpée en canons, mas l échange d nformaon sol-rans n es plus assuré par les eurobalses, mas de manère permanene, va un réseau GSM-R 3 de communcaon cellulare dédé, opéran sur ses propres bandes de fréquence allouées e déployé le long de l nfrasrucure ferrovare [15]. Va ce réseau de communcaon connu, le ran communque pérodquemen noammen sa poson déermnée par sa cenrale odomérque au cenre de conrôle qu lu communque en reour les acons à effecuer vesse, arrê,. Des eurobalses son oujours présenes sur la voe mas serven unquemen à recaler l odomére embarquée. Les rans reçoven des auorsaons de mouvemen MA élaborée par un RBC Rado Block Cener nerfacé avec le sysème de canonnemen e les poses de conrôle. Ce nveau ERTMS es llusré Fgure 1.9. Nveau 3 de l ERTMS : Dans le nveau 3, les canons fxes son supprmés de même que les crcus de voe e l on ulse des canons mobles déformables calculan en permanence un espace de sécuré adéqua devan le ran. Ce espacemen de sécuré es foncon noammen des vesses e poson du ran précéden. Tous les rans s auo 3

33 localsen de ce fa nécessaremen en sécuré. Ce nveau 3 ERTMS perme ans d opmser la capacé des lgnes e de rédure encore les équpemens au sol. La ransmsson enre sol e rans es connue e oujours assurée par le réseau GSM-R [15]. Le RBC assure seul l espacemen block moble, l es nerfacé avec les poses de conrôle pour l enclenchemen e le conrôle des nérares Fgure 1.1. A ce nveau, les rans doven êre équpés d un dsposf de conrôle d négré e s la déecon du ral cassée es exgée, elle es assurée en dehors de l ERTMS. Le nveau 3 perme des gans mporans en manenance e en capacé. Fgure 1. 9 : Nveau ERTMS Pour se localser, le ran déermne lu-même sa poson en lgne à parr d nformaons ssues d un odomère embarqué. L odomère rae les nformaons de vesse e dsance parcourue fournes par des capeurs. Ces capeurs son souven consués d une mesure de our de roue assocé à un radar Doppler vsan le ballas, enre les rals. Fgure 1. 1 : Nveau 3 ERTMS 31

34 1. 3 Conranes e défallances Le problème de la localsaon des rans dans un unnel e dans d aures endros où les sgnaux rado son bloqués ou perurbés s avère complexe e rese un suje de recherche nense. Dans le cas des sysèmes de ranspor urbans auomasés, le manen d une communcaon sol-ran effcace pose des problèmes majeurs, ce qu enrane drecemen des défallances sur la localsaon des rans ou méros. Cec es prncpalemen dû à l augmenaon des volumes de données échangées pour assurer le conrôle, l opéraon e la proecon des rans auomaques ATC, ATO, ATP, mas auss à l augmenaon de besons els que la vdéosurvellance e les servces mulmédas. Les condons dffcles lées à l exploaon dans le unnel, mleu d opéraon prncpal de ce ype de ranspor génèren égalemen des conranes condusan à lmer l ulsaon d équpemens à la voe au src mnmum ans qu à employer des soluons echnologques robuses vs-à-vs de ces envronnemens. Ces soluons echnologques doven cependan assurer une communcaon sol-rans effcace, une excellene couverure radoélecrque en unnel ans qu une localsaon rès précse des rans. Les balses dsposées c égalemen le plus souven à la voe enre les rals pour des conranes de précson e de élé almenaon depus les rans, mposen des conranes lors des opéraons de manenance de celles-c Sysème ULB-RT proposé e éudé dans ce raval de hèse Nous avons chos d explorer, à ravers ce raval de hèse, l appor de la echnologe ULB mpulsonnelle e de la echnque de Reournemen Temporel RT pour une applcaon spécfque de balse ferrovare. L objecf es de conrbuer à la résoluon du problème de la localsaon en proposan une localsaon précse exploan ces echnques à l éa de l ar. Le chox s es poré sur la echnologe ULB pour les rasons suvanes : sa capacé de ransmsson, poenellemen élevée en ermes de déb, grâce au large specre couver par ses sgnaux ; sa fable probablé de déecon due à sa fable pussance. Cee propréé es nécessare à une exploaon sûre du sysème de ranspor ; sa capacé de localsaon précse, grâce à sa résoluon emporelle fne ; 3

35 sa capacé de déecon d obsacles radar due à la naure mpulsonnelle des sgnaux. Cee capacé es essenelle pour éver des obsacles à la voe ou déecer d aures rames ; sa dsponblé e sa robusesse vs-à-vs des rajes mulples en unnel, grâce à nouveau à la largeur de bande couvere par ses sgnaux ; sa coexsence avec les aures sysèmes rado grâce aux pussances mses en jeu assez fables, mplquan la non-nécessé d allocaon d une bande spécfque. La possblé de réunr oues ces capacés dans un seul sysème consue un élémen d négraon majeure qu fa de la echnque rado ULB une canddae encore acuellemen néde, probablemen effcace e complèe pour les applcaons de communcaon/localsaon dans les ranspors gudés. Une normalsaon ULB ferrovare exse par alleurs, elle es présenée dans le chapre du manuscr. La echnque du reournemen emporel es proposée pour l assocer à l ULB, grâce à ces deux propréés prncpales à savor : la focalsaon emporelle e la focalsaon spaale égalemen développées dans le chapre. Ces deux propréés apporen ceranes caracérsques ules à nore applcaon e de plus, la echnologe Ulra Large Bande para nrnsèquemen ben approprée à son assocaon à la echnque RT [16]. Cee dernère a monré ses preuves dans le domane de l acousque, des ulrasons, noammen en déecon sous-marne, e récemmen elle a éé égalemen abordée pour les communcaons rado à hau déb don les sysèmes de communcaon ULB. L archecure du sysème proposé es llusrée Fgure La balse classque suée enre les rals Balse KVB, Eurobalse es cee fos remplacée par une nouvelle balse laérale nsallée sur le côé, à quelques mères de la voe. Cee nouvelle balse ulse une mpulson rado Ulra Large Bande IR-ULB assocée à une echnque de RT. La echnque IR-ULB es ulsée afn d assurer la communcaon à hau déb ans que le processus de localsaon du ran. La echnque RT perme de focalser le rayonnemen de la balse sur une pee zone audessus de la pse, représenée schémaquemen par une sphère dans la Fgure En absence de focalsaon, l énerge ransmse es dspersée dans le emps e l espace ; en présence de focalsaon, celle-c es concenrée dans le emps e l espace. Lors du franchssemen de cee zone de focalsaon, l'anenne suée dans l avan du ran reço ces sgnaux ULB e calcule sa poson par rappor à la balse géo-référencée. Ce sysème permera au ran à l approche de se localser avec une rès bonne précson. Parallèlemen des nformaons pourron êre échangées enre ran e sol, sur quelques mères, grâce à la 33

36 capacé de communcaon assocée à la echnque rado ULB. Le Tableau 1.5 éabl ans une éude comparave nale en ermes de performances enre les sysèmes de communcaon/localsaon par balse e le sysème de communcaon/localsaon ULB-RT proposé. Fréquences de fonconnemen Fgure : Sysème ULB-RT proposé Performances obenues par le sysème de communcaon/localsaon par balse 7.95 MHz len monan 4.5 MHz len descendan Performances obenues par le sysème de communcaon/localsaon ULB-RT proposé 3.1 à 1 GHz Porées 1 m 1 à 1 m Débs de ransmsson 56 kbps Poenellemen jusqu à quelques cenanes de Mbps quelques Mbps seron suffsans Précson de localsaon aendue quelques dzanes de cm < 1 cm Tableau 1. 5 : Eude comparave des performances du sysème de communcaon/localsaon par balse e celle du Sysème de communcaon localsaon ULB-RT proposé 1. 5 Concluson Dans ce chapre nous avons rappelé quelques élémens concernan les prncpaux sysèmes de localsaon exsans ans que les dfférenes applcaons vsées. Pus, nous avons présené de façon plus déallée les dfférenes echnques de localsaon exsanes dans les ranspors gudés ans que les exgences qu on mené à leur développemen. Ceranes lmes acuellemen renconrées on éé relevées. Les prncpales exgences dans les ranspors gudés 34

37 on éé énumérées en développan les prncpes e condons les plus fondamenales à respecer fondées sur des servces de communcaon/localsaon fables. Nous avons présené à la fn de ce chapre une descrpon du sysème ULB-RT proposé. Celu-c consue nore proje de recherche pour permere une localsaon précse e performane des rans. Dans le chapre suvan, nous déallons les fondemens héorques ulsés pour l éude du sysème proposé. La présenaon globale de la echnologe ULB es effecuée afn de cerner les élémens clés de cee echnologe rado. Le prncpe de la echnque RT, ses prncpales caracérsques, les dfférenes echnques e algorhmes de localsaon assocées, ans que les prncpales composanes d un sysème rado ULB son égalemen présenées dans ce chapre en décrvan la pare émsson, la pare canal de propagaon e la pare récepon. 35

38 Chapre : Inroducon aux sysèmes ULB-RT 36

39 .1. Inroducon Avan de poursuvre plus avan sur ce hème de la communcaon sol-rans à coure porée e plus spécfquemen de la localsaon relave précse des rans, l para ule d nrodure e de présener globalemen la echnologe rado ULB e la echnque de reournemen emporel RT que nous assocons afn de meux en cerner les élémens clés respecfs, mas auss de présener les prncpaux aous poenels de cee assocaon. Ce chapre a pour obje égalemen de donner un aperçu des élémens récens relafs à l ulsaon de l ULB noammen en maère de réglemenaon e de normalsaon. La echnque ULB a en effe connu une évoluon rapde e mporane duran ces dernères années e nous nous proposons de reracer cee évoluon depus les élémens récens ssus de la bblographe. Nous abordons ensue égalemen le conexe applcaf dans le domane des ranspors gudés. Nous clôurerons ce chapre par la présenaon des prncpales composanes de la pare émsson d un sysème rado mpulsonnelle RI-ULB où les dfférenes formes d mpulsons qu peuven êre ulsées e les dfférenes echnques de modulaon assocées son décres en mean l accen sur celles que nous avons exploé. Les prncpales echnques de modélsaon d un canal de propagaon, les prncpaux modèles de propagaon rado ULB renconrés dans la léraure ans que les dfférens ypes de récepeurs RI- ULB exsans son présenés dans la dernère pare du chapre... La echnologe Ulra Large Bande ULB Dans cee secon nale, nous présenons la echnque rado ULB e ses applcaons pour les sysèmes de communcaon/localsaon sans fl. Après avor rappelé les condons à remplr afn d êre en présence de sgnaux ULB pus, reracé quelques élémens d évoluon de cee echnque, nous ndquerons ceranes applcaons effecves ou envsagées. Les élémens de normalsaon, désormas sablsés, ans que les specres de fréquences e gabars de densé specrale de pussance assocés en vgueur en Europe seron déallés. Pour clôurer cee secon, nous raerons de l nérê de l ULB pour les sysèmes de communcaon/localsaon e de son champ d applcaon en ranspors rouers e ferrovares. 37

40 .. 1 Défnon de l ULB La echnque rado Ulra Wde Band UWB ou ULB en franças désgne une approche parculère dans le domane des élécommuncaons sans fl. Un sgnal ULB se défn par sa largeur de bande relave donnée par l équaon.1 : B f f f H L =.1 H + f f L Où f H e f L représenen respecvemen les fréquences de coupure supéreure e nféreure à - 3 db, un sgnal ULB do égalemen respecer une largeur de bande relave de 5% au mnmum. La défnon reenue aujourd hu es celle de la FCC 3, auoré amércane de réglemenaon de fréquences qu a éendu la défnon pour nclure les sgnaux don la largeur de bande absolue, à -1 db, es supéreure à % ou présenan une bande de fréquence supéreure à 5 MHz [17]. La Fgure.1 représene le gabar specral des sgnaux ULB B > % comparée aux sysèmes convenonnels à bande éroe BE B <1% e les f sysèmes à large bande LB 1 % B < %. < f f Fgure. 1 : Image exrae du breve déposé par Ross - Comparason de l occupaon specrale enre l ULB réglemenaon FCC e les aures sysèmes.. Évoluon hsorque Les premères recherches dans le domane de l ULB on débué l y a plus d une cnquanane d années e se son concenrées sur les applcaons radar en rason de la naure large bande des sgnaux qu auorsen un for pouvor de résoluon emporelle. Un peu plus 3 Federal Communcaon Commsson 38

41 ard, Taylor présena les résulas de ses ravaux sur les fondemens de la echnologe ULB applqués au radar [18]. En 199, le déparemen de la défense des Éas-Uns a publé les résulas de son évaluaon de la echnologe ULB concenrée exclusvemen sur les sysèmes radar éan donné qu aucune applcaon de l ULB aux sysèmes de communcaon n éa alors envsagée. Par la sue, des recherches on éé menées sur les sgnaux ULB pour l applcaon à la communcaon rado, noammen avec les ravaux de Sholz [19] qu meen à prof les prncpales caracérsques de cee echnologe, c es à dre une résoluon emporelle de l ordre de la nanoseconde due à la largeur de la bande de fréquences, un fable rappor cyclque permean des modulaons de ype «sau emporel» e la geson des usagers mulples ans qu une ransmsson possble sans poreuse, ce qu smplfe l archecure des sysèmes rado. Avan la fn du sècle, l usage de l ULB pour la communcaon n ava pas éé concrèemen envsagé. Cependan, face au poenel affché par l ULB, les ndusrels cvls on poussé les auorés de réglemenaon amércanes à prendre des mesures normaves vsan à permere l nroducon de cee echnologe dans le marché des applcaons cvles. La FCC a donc enamé une éude en 1998 qu a abou à la lo «Par 15» e à la publcaon du rappor «Frs Repor and Order» au 14 Févrer [17]. Cee lo a auorsé l émsson sans lcence dans la bande GHz, sous conrane de respecer une lmaon de pussance égale à dbm/mhz. Cee lo amércane a perms dans un premer emps, d ner des ravaux de recherches parou dans le monde, noammen aux USA, afn d nrodure la echnologe ULB sur le marché mondal, de façon harmonsée... 3 Prncpales caracérsques de l ULB Les prncpales caracérsques de la echnologe ULB son précsées dans []. Parm ces caracérsques qu on suscé un nérê crossan poré à l ULB, nous cons : Très hau déb : grâce à sa rès grande largeur de bande, un sysème ULB peu aendre un déb de 48 Mbps sur une porée nféreure à 1 m. L expresson de Shannon Harley [1] sur la capacé C du canal à bru blanc addf gaussen BBAG démonre ce pon : S C = B. log 1 +. N 39

42 Où C représene la capacé maxmale du canal b / s, B la largeur de bande du canal Hz, S la pussance du sgnal W e N la pussance du bru W. Ans, la capacé maxmale du canal augmene lnéaremen avec la largeur de bande du sgnal, e seulemen de façon logarhmque avec le rappor sgnal à bru. La echnque ULB, es donc plus adapée à l augmenaon de déb que les sysèmes présenan de fores conranes sur la largeur de bande. Robusesse face aux évanoussemens : un sysème ULB es capable de résoudre un nombre mporan de rajes mulples, e de combare ans la sélecvé fréquenelle du canal de propagaon, source d évanoussemen des sgnaux e de dégradaon de performances. Cee résoluon des rajes mulples augmene cependan la complexé d mplémenaon. Excellene résoluon emporelle : Un sysème ULB dspose d une résoluon sub-cenmérque lu permean une localsaon e une esmaon de dsance précses []. La résoluon emporelle peu êre évaluée grâce à l négalé de Cramer-Rao expresson.3 qu donne une esmaon de la borne nféreure d une mesure de dsance. c σ d.3 S 8π β N Où : σ d représene l écar ype de l esmé de la dsance, c la céléré de la lumère m/s, β la largeur de bande effecve du sgnal. Elle es donnée par l expresson.4. f S f df β =.4 S f df Avec S la ransformée de Fourer du sgnal. On peu alors remarquer que l nfluence de la largeur de bande du sgnal sur la précson es plus mporane quadraque que celle du rappor sgnal à bru lnéare. L nérê de l ULB pour ce genre d applcaon s en rouve renforcé. La sécuré : sans avor beson d un codage quelconque, le specre du sgnal ULB se sue en-dessous du nveau du bru. Ce sgnal es donc, 4

43 naurellemen dscre e dffclemen déecable par un aure sysème. Cee fable densé specrale de pussance du sgnal amélore la sécuré des communcaons rado ULB. Coexsence avec les aures sysèmes : Le fable nveau de pussance d émsson rédu la nusance des sysèmes ULB sur les aures sysèmes. Cec perme la coexsence des sysèmes. Pénéraon des obsacles : Un sgnal ULB s éale sur une large gamme de fréquence, donc des applcaons elles que la vson aux ravers des murs, la poursue d obje, ou la localsaon, peuven bénéfcer d une excellene résoluon en parculer aux fréquences basses. Coû/consommaon : Conraremen aux archecures classques qu nécessen des oscllaeurs e des ransposons en fréquence pour ransmere le sgnal, les sysèmes ULB mpulsonnels peuven ransmere sur le canal rado des sgnaux générés en bande de base. Cec offre à un sysème ULB une smplcé de fabrcaon, un fable coû e une auonome mporane... 4 Approches ULB Afn de respecer la défnon de l ULB, ros approches son possbles qu son successvemen représenées Fgure.. Le cas de Fgure. a présene l approche mpulsonnelle mono-bande, le cas de la Fgure. b présene une approche par bandes duales enfn, le cas de la Fgure. c auorse une approche mul-bandes. Nous analysons ces ros approches l une après l aure par la sue Approche mpulsonnelle mono-bande La rado mpulsonnelle auss connue sous le nom IR-UWB 4 repose sur l ulsaon nsananée de oue la bande de fréquence allouée avec ou sans poreuse. La ransmsson s effecue par des mpulsons rès brèves 1 ns à 1 ns dans le domane emporel e don la durée es nversemen proporonnelle à la largeur de bande consdérée.5 GHz à quelques GHz. Dfférenes formes d mpulsons son ulsées pour les sysèmes IR-UWB. Les plus smples exploen une mpulson snusoïdale fenêrée par un recangle, les plus complexes 4 Impulse Rado UWB 41

44 son so ssues de la famlle des mpulsons gaussennes monocycles e ses dérvés qu on longemps serv de référence pour les sgnaux ULB, ou des modèles basés sur les polynômes d Herme ou encore l mpulson de Raylegh. Ces dfférenes formes d onde permeen d opmser la réparon en fréquence de la pussance du sgnal. Fgure. : a Approche mpulsonnelle mono-bande ; b Approche bandes duales ; c Approche mul-bandes 4

45 .. 4. Approche bandes duales Cee approche perme d ulser des echnologes de crcus négrés mons onéreuses, surou en bande basse ypquemen 3 GHz - 6 GHz, la bande haue es ulsée au fur e à mesure du développemen de soluons echnologques en ermes de composans RF. La flexblé du specre rado rese modérée, mas cee soluon perme ouefos d éver arbraremen une bande sensble, comme la bande UNII auour de 5 GHz, par exemple Approche mul-bandes On dsngue deux approches mul-bandes : Le mul-bandes mpulsonnel ; Le mul-bandes OFDM non mpulsonnel. La premère vse prncpalemen à augmener le déb en augmenan la PRF 5 ands que la deuxème s néresse aux problèmes d nerférences e d accès mulple. Le mul-bandes mpulsonnel préconse l ulsaon séquenelle des sous bandes par sau de fréquence. Ce derner a éé rapdemen délassé au prof du MB-OFDM 6 don le concep es apparu pour la premère fos en [3]. Ce derner es souenu par Wmeda e MBOA 7. Il consse en l ulsaon nsananée, smulanémen ou ndépendammen de sous-bandes respecan les défnons ULB. Le specre défn par la FCC es alors dvsé en 14 sousbandes de 18 poreuses chacune en ulsan une modulaon OFDM classque éendue à des bandes de 58 MHz. Les 14 sous-bandes son classées en 5 groupes de à 3 sous-bandes chacun Fgure.3. Seul le premer groupe GHz sera exploé en aendan le développemen des soluons pour les composans RF pour les bandes supéreures. Le sgnal en bande de base ulse une modulaon de ype QPSK 8 pus une modulaon OFDM perme de reparr le sgnal sur les 18 poreuses bandes éroes e s assoce à une modulaon BICM 9. Le mulplexage enre ulsaeurs es assuré par un codage TFC 1. Les débs son de l ordre de 53.3 Mbps à 48 Mbps [4]. L un de ses avanages es le fa de pouvor s adaper dynamquemen aux conranes specrales lées à une zone géographque ou à un ype d applcaon. Ans, le sgnal ULB peu êre façonné de manère à respecer un ceran masque de pussance ou à éver des 5 Pulse Repeon Frequency 6 Mulband OFDM 7 Mulband OFDM Allance 8 Quaernary Phase Shf Keyng 9 Modulaon codé à bs enrelacés 1 Codes Temps-Fréquence 43

46 nerférences en élmnan la bande ou une sére de poreuses non approprée. Son prncpal défau résde dans la complexé d mplémenaon... 5 L ULB e ses applcaons Fgure. 3 : Specre mul-bandes OFDM Les applcaons poenelles de la echnologe rado ULB concernen deux nches echnques : les sysèmes rès hau déb coure porée ypquemen Mb/s jusqu à 1 m, e les sysèmes bas déb longue porée ypquemen kb/s à 1 m. Ces deux modes d ulsaon du specre rado ULB permeen d envsager un ceran nombre d applcaons ypques pour les sysèmes ULB. Ces applcaons peuven êre classées sous 4 caégores en foncon des bandes de fréquence [5] : Bande de fréquence 4 GHz e 77 GHz : applcaons lées aux véhcules rouers ; Bande de fréquence < 1 GHz : applcaons lées aux radars ; Bande de fréquence GHz : applcaons médcales magere ; Bande de fréquence GHz : sysème de communcaons sans fl e applcaons lées à la localsaon Applcaons lées aux communcaons L'une des applcaons qu a connu un grand développemen après la lbéraon de la bande de fréquences de GHz par la FCC dès concerne sans aucun doue les communcaons sans fl, à rès haus débs e à coures porées. En effe, la echnologe ULB permera d augmener le déb des réseaux personnels sans fl radonnels. Les usages de ce mode d ulsaon seron ceux des réseaux WF acuels, permean par exemple l accès au réseau nerne sans fl, ou la connexon enre dfférens pérphérques mprmane, 44

47 leceurs,... ec. en envronnemen lmé, de la alle d une ou pluseurs pèces d habaon par exemple. En rason des rès haus débs poenels à coure porée, des applcaons nécessan plus de déb son égalemen envsageables à une porée de 1 m à 4 m, comme par exemple un ransfer mulméda de haue qualé enre un leceur DVD e un écran. Dans le même mode d ulsaon les promoeurs de l ULB on égalemen proposé une alernave sans fl pour la norme Eherne. Pour des débs plus fables, on peu envsager des porées un peu plus grandes 5 m ce qu donne accès à un grand nombre d applcaons [6]. On peu cer par exemple : Les applcaons de domoque comme l auomasaon de la mason, les sysèmes de sécuré ou d aures servces mean en œuvre des réseaux de capeurs, des élécommandes avec un déb de quelques kb/s ; les éléphones sans-fl e les lasons avec les pérphérques sours, claver, orellee du PC avec un déb de quelques cenanes de kb/s ; la élésurvellance avec un déb de 1 Mb/s Applcaons lées aux radars e aux domanes médcaux Les radars radonnels à bande éroe son parm les premers ypes de radar proposés par le marché. Cependan, ces derners présenen de nombreux nconvénens noammen : - l mpossblé d émere e de recevor en même emps des nformaons, ce qu mplque que l on a rès souven des zones aveugles de pluseurs cenanes de mères à proxmé des sources ; - une résoluon rès fable car le radar radonnel es un dsposf à bande éroe. Du fa de sa rès large bande passane, le radar ULB peu remplacer les radars à bande éroe. En effe, ce ype de radar présene une melleure résoluon e possède cerans avanages don : - la capacé de pénéraon des maéraux des sols, des murs, de la végéaon, de la nege ulsaon possble des radars en basse fréquence pour amélorer la pénéraon ; - l améloraon de la déecon des cbles dmnuon fore des zones aveugles ; - la robusesse par rappor aux perurbaons. En foncon des caégores de radar ULB, on dsngue une panople d applcaon : déecon de mnes an-personnelles, déecon de véhcules, conrôle de consrucon de bâmen, archéologe, déecon de maéraux ec. Dans le domane de la médecne, les 45

48 radars ULB son ulsés dans les hôpaux e à domcle pour mesurer à dsance les baemens cardaques e respraores e aures paramères vaux du paen [7]. Une aure applcaon mporane du radar ULB dans le domane médcal concerne l obsérque : le radar ULB es ulsé par exemple pour conrôler l évoluon des grossesses. Le radar ULB nerven égalemen en magere médcale, l perme de déecer de façon non exhausve les mouvemens. On peu ans vor des mages du cœur, de la porne e des poumons. Il exse ben d aures applcaons en médecne où les radars ULB son ulsés. On peu cer enre aures la prévenon d apparon de cancer, la survellance respraore ou encore la survellance du syndrome de la mor sube du nourrsson Applcaons lées à la localsaon e à la poursue La echnologe ULB es rès sollcée dans des applcaons de localsaon e de poursue de personnes e d objes. En effe, l Ulra Large Bande perme une grande précson dans la mesure des dsances car la résoluon obenue es nversemen proporonnelle à la durée de l mpulson, ce qu la rend une canddae à for poenel pour les sysèmes de localsaon []. De ce fa, la echnologe ULB offre une opporuné unque pour hybrder fonconnalés de localsaon e communcaons numérques sans-fl, cec consue une des exgences fores lées à de nombreuses applcaons émergenes. Rappelons que l ULB se propose d adresser de façon prvlégée deux sandards WPAN : d une par, un sandard hau déb HDR-UWB 11 d sandard IEEE a de 1Mbps jusqu à pluseurs cenanes de Mbps e, d aure par, un sandard bas-déb LDR-UWB 1 d sandard IEEE a de quelques kbps à 1Mbps. Dans le cas du sandard ULB hau-déb IEEE a, la capacé de localsaon consue une fonconnalé addonnelle, vore anecdoque e.g. en vue d un rouage opmal du réseau. Des applcaons de l ULB son prévues dans le mleu ndusrel. En exploan les possblés de localsaon à longue porée, des réseaux de capeurs ULB pourron êre déployés dans les chaînes de producon ou les hangars de sockage, afn de procéder au suv e à la geson auomaque des opéraons. Ce ype d applcaon es adapé au sandard LDR- UWB norme IEEE a. 11 Hgh Daa Rae UWB 1 Low Daa rae UWB 46

49 .. 6 Régulaon du specre rado ULB Comme ou nouveau sysème sans-fl, une réglemenaon s mpose à l ULB avan de l nrodure sur le marché. De nombreux sysèmes avec une lcence ou non son déjà présens dans les bandes UHF e SHF permean le déploemen de sysèmes rado comme présenés sur la Fgure.4. Sur cee fgure, on remarque pluseurs sysèmes occupan des bandes réservées elles que les sandards de éléphone cellulare GSM 9 MHz, DCS 1.8 GHz e UMTS GHz. Le sysème de localsaon par saelle GNSS occupe égalemen une bande réservée auour de 1.5 GHz. D aures bandes de fréquence accuellen des sysèmes de communcaon exploés sans lcence. Par exemple, la bande ISM correspond aux sysèmes Blueooh, WF e DECT e auorse égalemen les émssons rado dues aux apparels ndusrels comme les fours à mcro-onde. La bande UNII es la bande de fréquences où opèren les normes WF 8.11a e Hperlan. L objecf es donc d assurer la coexsence enre les dfférens sysèmes occupan le specre radoélecrque. Les organsmes de réglemenaon on souven recours à l allocaon d une bande de fréquence fxe e spécfque pour chaque nouveau sysème. Le problème es que, d une par, les ressources en bande de fréquences se fon de plus en plus rares, e que, d aure par, les sysèmes sans-fl son de plus en plus présens. Pour pouvor accuellr à la fos ous les sysèmes exsans e émergens e afn d ancper l engorgemen du specre radoélecrque, la endance semble prvléger la convergence vers un sysème héérogène 13 e reconfgurable 14. Ces deux propréés son consdérées en an que concep clé de la geson de ressources rado éudés dans le cadre du proje européen le nom E R 15 [8]. Dans le cas de l ULB, éan donnée la naure des sgnaux ULB, leur éendue fréquenelle e les fables pussances mses en jeu, l obje de la régulaon es pluô de défnr les condons d ulsaon pour ces équpemens e en parculer les lmes de densé specrale de pussance afn de ne pas causer de broullage aux aures sysèmes rado. Dans ce chapre, nous nous sommes lmés sur la régulaon en Europe. Celle des Eas Uns e de l Ase son présenées dans l annexe A. 13 Mul-sandard GSM, GPRS, EDGE, UMTS, WF, WMax, 14 peuven changer de echnologe d accès rado, e d allocaon des ressources specrales 15 End-o-End Reconfgurably 47

50 Fgure. 4 : Sysèmes rado présens dans les bandes UHF e SHF Régulaon en Europe En Europe, les nsances de réglemenaon CEPT 16 e de normalsaon ETSI 17 on ssé une éroe coopéraon afn de développer la norme européenne des sysèmes ULB. L objecf vsé es d assurer une harmone pour ous les éas de l unon européenne. En févrer 5, l ECC a éabl e adopé le rappor «ECC Repor 64» [9] qu rae les exgences proecves des sysèmes opéran en dessous de la fréquence 1.6 GHz des dsposfs ULB. Ce rappor consdère un faceur d acvé de 5 % e un déploemen des dsposfs ULB à 8% en ndoor e % en oudoor e défn des dsance de proecon afn d éver ou rsque d nerférence. Les lmes de DSP calculées se son révélées plus rgoureuses que celles de la FCC [9] à 3 db de mons. Les prncpaux sysèmes vcmes denfés son : les servces fxes FS 18, les servces saellares FSS 19, les servces de la rado asronome RAS, les servces d exploraon erresres par saelles EESS 1 en oudoor, les servces de élévson numérque DVB-T e les servces mobles IMT- 3 en ndoor. D aures rappors on éé éabls par la sue en effecuan une analyse plus approfonde ncluan : 16 Conférence Européenne des Poses e Télécommuncaons 17 European Telecommuncaon Sandard Insue 18 Fxed Servce 19 Fxed Servce Saelle, bande C GHz e bande Ku GHz Rado Asronomy Servce 1 Earh Exploraon-Saelle Servce Dgal Vdeo Broadcasng Terresral 3 Inernaonal Moble Telecommuncaons- 48

51 - des éudes echnques focalsées sur ros scénaros de coexsence précs : FSS, FS oudoor e les servces fxes d accès sans-fl FWA 4 ndoor ; - une analyse d mpac srucurée par gamme de fréquences dans la bande FCC auorsée en consdéran une lmaon nale de pussance sorope rayonnée équvalene PIRE moyenne à -55 dbm/mhz. D aures éudes on éé effecuées en s aardan sur cerans pon clés comme : - les pussances PIRE moyennes maxmales dans les bandes GHz e GHz ; - les echnques de réducon du broullage ; - les nsallaons ULB dans les véhcules rouers e ferrovares. Ans en novembre 6, une premère généraon de sysème ULB 1G - UWB, fonconnan essenellemen sur la bande GHz avec un maxmum de PIRE dbm, a éé lancée sur le marché avec une auorsaon valable jusqu au 31 décembre 1 e cela sans echnque de réducon de broullage. Au-delà, elle es remplacée progressvemen par une seconde généraon G-UWB négran les echnques d aénuaon approprées. Le derner manda éabl par l ECC e publé le 3 mars 1 consue une mse à jour de la décson éable en 7 [3]. Le Tableau.1 récapule les lmes de pussance auorsées elles qu elles on éé défnes par l ECC [48]... 7 Réglemenaon de la echnque ULB en ranspor rouer e ferrovare L applcaon de l ULB dans le domane des ranspors es un suje plus récen qu fa l obje de recherches approfondes, prenan en compe pluseurs élémens don : - la naure de l envronnemen néreur d une voure ; - le faceur d acvé ; - l nfluence du nombre de passagers ; - le nombre de dsposfs ULB ; - le ype de réducon de broullage opmal. Afn de proéger les sysèmes oudoor des émssons ULB, l a éé décdé d mposer l ulsaon d un conrôle de pussance à la ransmsson TPC [31]. Cee nouvelle conrane 4 Fwed Wreless Access 49

52 condonne l opéraon de ce ype de dsposf dans cerans cas pour émere à dbm/mhz. Le Tableau. présene les normes mposées pour l ulsaon du specre ULB dans les ranspors rouers e ferrovares. Bande de fréquence GHz PIRE moyenne maxmale dbm/mhz PIRE crêe dbm mesuré à 5 MHz < à à à à à 4.8 * à à 8.5 * à à > * Dans le cas des sysèmes ULB nsallés dans les ranspors rouers ou ferrovares, l opéraon es condonnée par l mplémenaon d un conrôle de pussance à l émsson Transmer Power Conrol - TPC avec une marge de 1 db par rappor au maxmum de pussance rayonnée auorsée, snon la DSP moyenne maxmale es dbm/ MHz. Tableau. 1 : Lmes PIRE maxmales en Europe Dans [31], une descrpon générale es fae poran sur la régulaon du specre rado ULB par l ECC, pour l applcaon de suv e de localsaon des rans e méros. Dans une confguraon de localsaon ULB en envronnemen ferrovare, un émeeur Tx ou un récepeur Rx, ou les deux son nsallés dans un véhcule ferrovare en mouvemen ran, méro. Le véhcule es suv en ulsan un pon d accès sué au bord de la voe e qu peu êre mplémené en ulsan une anenne ULB ULB-Tx, ou un récepeur ULB-Rx ou les deux. Un réseau d'équpemen en bordure de voe fxe auour d'une zone à couvrr, appelée zone d'nérê, communque avec un équpemen ULB nsallé dans un véhcule ferrovare. La poson D d'un véhcule sur rals peu êre déermnée par l'analyse, par exemple, du emps d'arrvée e / ou angle d'arrvée du sgnal rado par rappor aux saons de référence connus. Le sysème présené dans [31] es un sysème de suv d un véhcule ferrovare dans une zone auour d un pon d nérê. Les nformaons de poson son applquées pour assurer l arrê du véhcule avec une précson nféreure au mère. Une fos que le véhcule es à l arrê, la ransmsson es coupée. 5

53 Bande de fréquence PIRE moyenne maxmale PIRE crêe mesuré à 5 MHz 3.1 à 3.4 GHz -7 dbm/mhz ou dbm/mhz en ulsan LDC 5 ou dbm/mhz en ulsan TPC 6 +DAA à 3.8 GHz -8 dbm/mhz ou dbm/mhz en ulsan LDC ou dbm/mhz en ulsan TPC+DAA 3.8 à 4.8 GHz -7 dbm/mhz ou dbm/mhz en ulsan LDC ou dbm/mhz en ulsan TPC +DAA 6 à 8.5 GHz dbm/mhz ou dbm/mhz en ulsan LDC ou dbm/mhz en ulsan TPC 8.5 à 9 GHz -65 dbm/mhz ou dbm/mhz en ulsan TPC+DAA -36 dbm ou dbm ou dbm -4 dbm ou dbm ou dbm -3 dbm ou dbm ou dbm dbm ou dbm ou dbm -5 dbm ou dbm Tableau. : Normalsaon du specre ULB dans les ranspors rouers e ferrovares Un el sysème peu êre réalsé selon ros confguraons : L'émeeur es nsallé dans un véhcule ferrovare, e la récepon es assurée par un équpemen fxe sué à la voe opon 1 : les sgnaux ULB éms par l émeeur son déecés par un équpemen de récepon placé au bord de la voe à des pon fxes connus ; 5 Low Duy Cycle 6 Transmsson Power Conrol 7 Deec-And-Avod 51

54 Le récepeur es nsallé dans un véhcule ferrovare, e la ransmsson es assurée par un équpemen fxe sué à la voe opon : les sgnaux ULB éms par un réseau d anennes fxe sué au bord de la voe, son déecés par un équpemen de récepon nsallé dans le véhcule ; L émeeur e le récepeur son nsallés dans un véhcule ferrovare : une combnason des opons 1 e e une ransmsson bdreconnelle es éable enre le véhcules e l équpemen fxe sué à la voe [31]. Les sysèmes ULB fonconnaen jusque-là dans les bandes de fréquence de GHz ou GHz e opéraen prncpalemen dans des condons de lgne de vue drece LOS Lne Of Sgh, e donc une lme de la pussance moyenne de dbm/mhz. Une récene modfcaon de la décson de l ECC a perms l émergence de nouvelles normes ULB pour l applcaon dans les ranspors erresres noammen ferrovares [31]. Le fonconnemen du sysème ULB do fare face à pluseurs faceurs crques qu peuven conrandre ses performances. Le Tableau.3 présene quelques un de ces faceurs. Fréquence GHz Zone d opéraon Faceurs crques affablssan la performance du sysème 3.11<f<4.8 PIRE<-53.3 dbm/mhz pour les équpemens ULB non enregsrés e les moble sans lcence avec 5% d acvé du LDC PIRE<-41.3 dbm/mhz pour les équpemens enregsrés 6<f<8.5 PIRE<-53.3 dbm/mhz pour les équpemens ULB e mobles non enregsrés avec 5% d acvé du LCD Très coure porée < 1 mères Coure porée <5 mères Très coure porée <1 mères Mulrajes Broulleurs large bande e.g. ULB pour l auomoble Mulrajes+Peres de rajes Broulleurs large band Mulrajes Conre-mesures compables avec les lmes e les règlemens de l ECC Mulple émeeurs ULB à bord des rans pour des raemens en emps réel Mulples récepeurs fxés au sol Mulple émeeurs ULB à GHz déployés au sol pour des raemens en emps réels Mulple émeeurs à bord du ran pour des raemens en emps réel avec des anennes à fasceau éro Noe : À plus haue fréquence f>=8 GHz, seules les applcaons à rès coure porée <1 mères son exploables, car les émeeurs ULB nsallés à l nfrasrucure ne son pas auorsés par l ECC Tableau. 3 : Faceurs crques lman les performances du sysème ULB en envronnemen ferrovare L ECC ndque égalemen dans ce documen que : «que ce so à bord ou dans les nfrasrucures fxes, l'adopon de mulples émeeurs ULB amélore les performances du sysème e maxmse sa dsponblé pour une porée allan jusqu'à 5 mères e plus». La recommandaon la plus récene vsan la proecon des servces exsans exge que chaque 5

55 émeeur ULB apparenan à une nfrasrucure fxe so lmé à une pussance moyenne de dbm/mhz dans la bande de fréquences la plus basse unquemen. Pour la bande de fréquence de GHz, qu peu êre éendue à la bande de fréquence GHz, la lme srce applquée es de -47,3 dbm / MHz. Par conséquen, la perspecve de l'ulsaon de dsposfs ULB dans des applcaons de localsaon e de suv en envronnemen ferrovare avec une porée supéreure à 5 mères semble rès conragnane, en rason de l'effe combné de pluseurs faceurs essenels: mul rajes, pere de raje pah loss, ec. L assocaon avec une echnque de reournemen emporel pourra permere de résoudre ceranes des conranes. E la secon suvane sera consacrée à rappeler les élémens nécessares à la compréhenson de cee echnque parculère..3. La echnque de reournemen emporel Ans que soulgné précédemmen, un sysème ULB convenonnel do fare face à pluseurs conranes lées noammen à la complexé au nveau de la récepon. Une des soluons pour reméder à ces problèmes es de ransposer la complexé du récepeur vers l émeeur en ulsan la echnque de Reournemen Temporel noée RT. Oure ce ransfer de complexé, un gan en performance es égalemen aendu. Cee echnque de RT es classquemen applquée en acousque e en communcaon sous-marne. Dans cee secon nous présenons son évoluon ces dernères années. Ensue, nous dscuerons de ses prncpales caracérsques e de son appor à l ULB pour la communcaon e la localsaon Hsorque e applcaons de la echnque du RT Le prncpe du reournemen emporel se fonde sur la réversblé de la propagaon des ondes. Lorsqu une source éme une onde, s l on mesure e numérse sur un réseau d anennes dsposées auour de la source les sgnaux reçus en provenance de cee source, pus que l on réémee ensue ces sgnaux en chronologe nverse, alors une onde convergene es créée e se focalse an spaalemen que emporellemen au pon source nal. En 1965, Parvulescu e Clay on éudé ce qu ls appellen une echnque de sgnal adapé. Dans leurs expérences, ces aueurs ransmeen un sgnal à parr d une source, pus reransmeen le sgnal nversé dans le emps à parr de cee même source [3]. Les mrors à conjugason de phase furen ans développés dès les années 6 dans le domane des mcro-ondes pus, dans les années 7 en opque. Le prncpe de els mrors es de caper un sgnal monochromaque provenan d une source e de réémere son conjugué par un effe non lnéare, ce deuxème sgnal 53

56 focalse alors sur la source nale, y comprs s le mleu nermédare présene des héérogénéés. En 1989, Mahas Fnk e son équpe on généralsé ce concep aux sgnaux large bande en nrodusan le prncpe du reournemen emporel e de la cavé à RT. D aures recherches se son égalemen développées pour dfférenes applcaons en élécommuncaons, pour le développemen d objes acles, en déecon e magere, ans qu en hérape médcale.. 3. RT applqué aux ondes élecromagnéques A l nsar des ondes acousques, les ondes élecromagnéques obéssen à la réversblé e à la récprocé. En effe, on peu magner la possblé de réalser un reournemen emporel d une onde élecromagnéque en généran dans ou un volume de champ élecrque, l opposé du champ magnéque, le ou dans une chronologe nversée e, pour ou nsan. Dans le cas praque, le reournemen emporel du champ élecromagnéque es applqué sur une surface fermée enouran la source nale [33]. L expresson du héorème de récprocé avec sources dans le cas des ondes élecromagnéques es la suvane : p E r, ω = p. E r, ω où 1, p es le veceur polarsaon des dpôles élémenares, E r, 1, 1, ω es le champ élecrque aux posons r 1 ou r. Il apparaî c que le champ élecrque dans la drecon de polarsaon de la source es nchangé quand les posons de l émeeur e du récepeur son nerchangées. La noon de cavé à reournemen emporel, précédemmen présenée, peu êre adapée dans le cas des ondes élecromagnéques Premères expérences du RT en bande éroe A. Tourn e al [34], on réalsé une premère expérence en ulsan un prooype mun d un seul émeeur e récepeur Sngle Inpu Sngle Oupu SISO pour des ondes élecromagnéques dans la bande WF dans le bu de réalser le reournemen emporel de sgnaux radofréquences. Une premère anenne ransme dans une chambre réverbérane une mpulson brève défne par : x = x p cosπf.6 où x p représene la modulaon en phase e f =. 45 GHz la fréquence cenrale. La largeur specrale de la modulaon es de l ordre de 1 MHz. Après récepon par une seconde anenne, la modulaon, ou sgnal en «bande de base», es exrae e codée sur deux enrées I e Q en 54

57 phase e en quadraure. Compe enu des réflexons mulples subes par l onde au cours de sa propagaon, la durée du sgnal reçue es sgnfcavemen allongée Fgure.5a. Chacun des deux sgnaux I e Q es alors numérsé avec une fréquence d échanllonnage de 4 MHz,.e. rès nféreure à la fréquence de la poreuse, e reourné emporellemen. Ces nouveaux sgnaux son alors ulsés pour moduler la poreuse don on a conjugué la phase. Le sgnal rééms par l anenne nalemen réceprce refocalse alors sur l anenne nalemen émerce pour y reformer l mpulson orgnelle Fgure.5b. En plus de la compresson emporelle obenue sur l anenne nale, l a éé vérfé que l onde es spaalemen focalsée avec une précson de l ordre de la longueur d onde. C es à dre qu en profan de la complexé du mleu, l es possble, avec une anenne unque, d aendre une résoluon opmale. Le RT s avère ans rès avanageux avec une modulaon exploan une onde poreuse. Les sgnaux en bande de base à basse fréquence peuven ans égalemen aendre une grande focalsaon spaale en rason de la présence d'une poreuse haue fréquence. On observe que la alle de la zone de focalsaon spaale dépend de la fréquence de la poreuse ben que la fréquence du sgnal de bande de base so sgnfcavemen nféreure à la fréquence de la poreuse. Sous ceranes condons, l'augmenaon de la fréquence de la poreuse peu augmener la compresson emporelle du sgnal [35] Le reournemen emporel éraf RTI Lorsque les lmaons du sysème ulsan le RT bande de fréquence, nombre d anennes ne permeen pas d avor une focalsaon emporelle suffsammen fne pour dmnuer les nerférences ner-symboles IIS, la mse en œuvre du RT éraf peu êre une soluon. Cee echnque perme, par un raffnemen successf de l esmaon du canal, de dmnuer les lobes secondares de la réponse mpulsonnelle du canal équvalen e ans de dmnuer l IIS [36]. La premère éape d esmaon e de focalsaon se fa de manère classque. La seconde éape ne consse plus à envoyer une mpulson mas le sgnal d erreur, c'es-à-dre la dfférence enre l mpulson e le sgnal reçu lors de l éape de focalsaon. Le canal esmé es ensue ajoué au canal esmé lors de la premère opéraon e la somme es réémse reournée dans le emps Fgure.6. Après pluseurs opéraons successves, les lobes secondares de l mpulson reçue son dmnués e l IIS es ans rédue lorsque les données son envoyées. Néanmons ce sysème suppose d avor un canal consan sur la durée des éapes de raffnemen de l esmaon ans que pendan la ransmsson des données e para ans complqué à mere en œuvre dans un sysème réel. 55

58 Fgure. 5 : a Phase d émsson/récepon, b RT e réémsson Eape 1 Eape Fgure. 6 : Processus de RTI 56

59 Le reournemen emporel e ses applcaons Une des applcaons du RT es la communcaon rado à large bande en mleu réverbéran. On peu ans envoyer à parr d une ou de pluseurs anennes des messages dfférens, focalsés chacun sur un récepeur parculer e qu permeen d augmener de façon rès mporane le déb d nformaons enre un réseau d anennes e un ensemble de récepeurs [36]. La démonsraon expérmenale à éé fae auss ben en acousque sous-marne sur de rès grandes dsances qu en acousque des salles, e les premères réalsaons d anennes élecromagnéques à RT fonconnan dans la bande W-F auour de.4 GHz on monré qu on pouva auss focalser des ondes élecromagnéques sur des zones de quelques cenmères dans des mmeubles. Dans le domane de l acousque, B. Keeperman e al du Scrpps on monré qu on pouva focalser un message acousque à 1 km de dsance sur une zone de 3 cm de large [37], ce qu correspond à une résoluon de la dem-longueur d onde. Les applcaons du RT à la éléphone moble en mleu urban son envsageables e son en cours d éudes dans pluseurs laboraores. L applcaon du RT peu êre éendue dans le domane de la domoque. En effe, la echnque du RT permera de générer des objes acles. La déecon, l magere e la hérape son auss d aures champs d applcaon du RT [38] Appor du RT à l ULB Classquemen, le RT es ulsé en acousque e en envronnemen sous-marn où de premères expérences de élécommuncaons par RT on éé réalsées avec des ondes acousques dans des chenaux sous-marns [39] [4]. Acuellemen, le RT es largemen éudé dans les sysèmes de communcaons ULB. Une éude approfonde des sysèmes de communcaon ULB-RT es présené dans [33]. Dans les sysèmes de communcaon ULB- RT, la réponse mpulsonnelle du canal RIC renversée dans le emps, es employée comme un préflre à l émeeur. La echnque RT deven alors composée des deux éapes suvanes Fgure.7 : Dans la premère éape, de éape de sondage, la RIC es esmée e enregsrée au nveau de l émeeur. Dans la deuxème éape, de éape de focalsaon, la verson conjuguée e nversée dans le emps de la RIC es ransmse dans le même canal. Ans, l onde se propage dans un canal nvaran suvan les mêmes voes, en ordre nverse. Au nveau du récepeur, oues les composanes de l onde, emprunan des chemns dfférens, se combnen de manère cohérene e consrucve au pon source. Les résulas d expérmenaon présenés 57

60 dans [33], monre que le RT s avère promeeur pour l applcaon aux sysèmes de communcaon ULB. Nous énumérons c-dessous quelques avanages du RT pour les sysèmes ULB [41] [4]. Fgure. 7 : Prncpe du RT en conexe ULB Le RT es une méhode qu exploe naurellemen la dversé spaale d un mleu. Le RT es du pon de vue du raemen du sgnal, un flre adapé. Cee caracérsque, perme de profer de l effe du gan d anenne en communcaon ULB. En ulsan le RT lors de la phase d émsson de sgnaux ULB, la réponse mpulsonnelle es compressée en récepon, pour donner une mpulson auss brève que le sgnal se propagean dans le vde e dans laquelle vennen s ajouer des lobes secondares. La déecon des symboles s en rouve smplfée. Le RT ag ans el un pré-codeur emporel des sgnaux ce qu rédu la âche du récepeur ULB. La smplcé de mse en œuvre du RT consue auss un nérê capal pour les sysèmes de communcaon ULB. En effe en ulsan le RT, c es le mleu lu-même qu fabrque le code car les réponses mpulsonnelles vers dfférens ulsaeurs son pseudoorhogonales, à condon que le mleu so suffsammen complexe e sable enre la premère phase e la deuxème phase de processus de RT. Le RT perme de maxmser le rappor sgnal sur bru dans un sysème de communcaon ULB. 58

61 Les ravaux de recherche effecués assocan l ULB au RT, son jusque-là accenués dans les sysèmes de communcaon. Nous proposons alors dans ce manuscr d exploer les aous du RT assocé à l ULB pour l applcaon à la localsaon Travaux exploan conjonemen ULB e RT L ulsaon conjone de l ULB e du RT es relavemen récene, e en rason de ses avanages de smplcé e à ses performances, l dée d applquer le RT aux sysèmes de communcaon sans fl, noammen en ULB, es de plus en plus proposée. La premère expérence ulsan le RT pour la communcaon ULB a éé effecuée à Sanford [43] [44] [45] e le premer paper raan ce aspec de l assocaon ULB-RT es probablemen [44], où les données ulsées son mesurées par INTEL en ulsan un analyseur de réseau VNA. Emam e al. on démonré dans [46] la grande capacé de focalsaon spao-emporelle du sgnal ULB assocé au RT en envronnemen ndoor. D aures ravaux smlares on éé effecués par Akogun dans [47]. Dans [48] [49], Lerosey e al. on monré commen les conceps du RT développés en acousque ulrasonore peuven êre éendus au domane des ondes élecromagnéques noammen à l ULB. Deux réalsaons expérmenales du RT pour la communcaon ULB son décres dans [48]. L ulsaon du RT pour l applcaon à la localsaon, en parculer, l assocaon de l ULB e du RT consue un suje rès récen e ne fa pas l obje de beaucoup de publcaons dans la léraure. Quelques débus de ravaux dans ces domanes son présenés dans [5] [51] [5]. Pour ce qu es de nore conrbuon dans ce champs de recherche, de premers ravaux on éé réalsés en collaboraon avec l IEMN DOAE e TELICE dans le cadre du proje COLOR Communcaon rans-sol Opmsée e Localsaon relave précse des rans par echnque de Reournemen emporel fnancé par CISIT Campus Inernaonal sur la Sécuré e l Iner-modalé dans les Transpors e dans le cadre d un sage pos docoral à l INRETS. Ces ravaux on eu pour bu d éuder la fasablé de cee applcaon du reournemen emporel dans un canal de propagaon ULB exploé dans la gamme 3-1 GHz pus, en gamme mllmérque. Ces ravaux on perms de valder le prncpe de la focalsaon du sgnal sur un récepeur en ulsan les caracérsques nverses du canal de propagaon. Des ess on éé effecués en chambre réverbérane afn de valder le prncpe de focalsaon d énerge. Ils on monré, en présence de focalsaon, une augmenaon effecve du nveau 59

62 de sgnal reçu au vosnage du récepeur cble. Ce prncpe de focalsaon a éé valdé pour une émsson pon à pon e pour le cas de deux émeeurs e un récepeur. Celle-c a déjà fa l obje dans nore laboraore, de publcaons scenfques applquées à la CBTC [53] [54] Les caracérsques du RT Le RT es caracérsé par pluseurs paramères [55], noammen : La Pussance Crêe Normalsée PCN de récepon RT es défne comme la pussance d un pc reçu pour une pussance d émsson donnée par rappor à un schéma SISO ; Le Gan de Focalsaon GF es défn comme le rappor du plus for pc reçu en RT sur le plus for pc reçu par un sysème mpulsonnel ULB convenonnel sans RT. Son expresson es donnée par : GF max YRT = log1.7 max Y où Y RT e Y son respecvemen les sgnaux reçus dans le cas RT e dans le cas ULB convenonnel. Ce paramère GF, radu le gan apporé par le RT en ermes de couverure radoélecrque par rappor à un sysème de communcaon mpulsonnel ULB classque, pour une pussance de ransmsson donnée ; Le Rappor Sgnal à lobe Secondare RSS es défn comme le rappor de pussance enre les deux premers pcs les plus fors dans un sgnal reçu RT, son expresson es : YRT pc RSS = log1.8 Y ' où pc e ' pc représenen respecvemen le emps relaf au pc le plus for e au second pc le plus for. Le RSS représene un ndcaeur de la qualé du sgnal reçu ; L Augmenaon de la Pussance Moyenne APM es défne par le rappor des pussances moyennes reçues avec e sans RT. Son expresson es donnée par : APM RT pc PRT db = 1 log.9 P 1 où P RT e P son respecvemen les pussance moyennes reçues avec e sans RT ; L écar ype des reards σ es donné par l expresson : τ 6

63 N N PDP l τ l= 1 l PDP l τ l= 1 l σ τ = N N.1 l= 1 PDP l l= 1 PDP l où PDP l = Y l es le Power Delay Profle du sgnal Profl de Pussance des Reards, l es le reard e N le nombre oal de pas dans le PDP. L écar ype des reards consue une mérque pour la compresson emporelle dans les sysèmes RT. Dans nore éude, nous ulsons le gan de focalsaon e le PDP pour l évaluaon de la focalsaon emporelle e spaale vor chapre Mérques e algorhmes de localsaon assocés Dans cee secon nous présenons les quare grands ypes de mérques qu son généralemen reenus dans les sysèmes de radolocalsaon en mean l accen sur la mérque dfférence de emps d arrvée qu sera ulsée dans nore sysème de localsaon pour les rasons exposées au chapre 3. Les mérques courammen exploées dans les sysèmes de radolocalsaon son [56] : la mérque basée sur la pussance reçue RSSI : communémen appelé RSSI pour Receved Sgnal Srengh Indcaor es ypquemen ulsée dans le cadre de la radolocalsaon cellulare e la radolocalsaon WF. Elle s avère sensble aux effes du bru du canal de propagaon, aux nconsances e aux non saonnarés du canal de propagaon en suaon de moblé e/ou de rajes mulples. En oure, elle ne perme pas de bénéfcer vérablemen de la résoluon emporelle auorsée par les sgnaux large bande. la mérque basée sur les angles d arrvée AOA : la mesure d angle d arrvée AOA pour Angle Of Arrval consse à esmer l angle d ncdence du raje drec suv par l onde au moyen de pluseurs références. La mesure d angle d arrvée souffre sévèremen du phénomène de mulrajes e des suaons de non vsblé semblan ndquer un émeeur dans une drecon où l ne se rouve pas effecvemen. la mérque basée sur les emps d arrvée TOA : la mérque de TOA pour Tme Of Arrval es rès largemen ulsée dans les sysèmes de radolocalsaon acuels. Son prncpe consse à mesurer les dsances séparan le nœud à posonner du nœud de référence, ndépendammen des nsans d émsson. Cee echnque mpose une 61

64 synchronsaon grossère préalable des enés. Elle es rès affecée en cas d mprécson des horloges e des suaons de non vsblé NLOS Mérque basée sur les dfférences de emps d arrvée TDOA A la dfférence de la mérque TOA, la mérque de TDOA pour Tme Dfference Of Arrval, ne nécesse pas de synchronsaon enre le moble à localser e le réseau d émsson. Cee echnque exploe la dfférence enre les dsances du nœud à posonner e deux nœuds de référence. A parr de cee mesure e de la dsance enre les deux nœuds de référence, l es possble de racer des hyperboles en ulsan deux nœuds dfférens Fgure.8. L nersecon des hyperboles perme de déermner la poson du moble. Dans nore sysème de localsaon, nous consdérons que les sgnaux son éms par un réseau d anennes e à la récepon, le raemen es effecué afn de déermner la poson du moble. La mérque TDOA consue un procédé smple à mere en œuvre dans le cadre du déploemen des réseaux ULB [56]. La conrane majeure à laquelle do fare face cee mérque es la déermnaon de la dfférence de emps des sgnaux la TDOA. En effe, la déermnaon du TDOA repose sur la déecon effecve du premer raje observable. Fgure. 8 : Prncpe de la mérque TDOA D Formulaon mahémaque Nous présenons dans cee secon les procédés mahémaques permean de déermner les coordonnées de la poson d un moble en D. La dfférence de dsance enre le moble e l ème saon de base es donnée par l équaon.11 : R = X x + Y y.11 6

65 Où, x, y son les coordonnées nconnues de la poson du moble X, Y son les coordonnées connues fxes des saons de base. La dfférence de dsance enre la saon maîresse dans nore cas la saon maîresse es la saon la plus proche du moble e les aures saons es donnée par : R, 1 c d,1 = R R1 = X x + Y y X1 x + Y1 y =.1 où c es la céléré, d,1 es la TDOA esmée enre la saon maîresse e l ème saon. Le calcul des dfférences de dsances nous perme de défnr un sysème d équaons d hyperboles non lnéares don la résoluon peu êre effecuée en ulsan dfférens algorhmes de résoluon Chan, Talor, Musc, ESPRIT. L algorhme de Chan es celu que nous ulsons pour nore éude. Ce algorhme consse à ransformer un sysème d équaons non lnéares en un sysème d équaons lnéare de la forme : R, 1 + R,1R1 = X + Y X,1x Y y + K K, Après développemen, les coordonnées x, y du moble son données par : x X = y X,1 3,1 Y Y,1 3,1 1 R. R,1 3,1. R R R,1 3,1 K K 3 + K + K où K + 1 = X1 Y1 ; K = X + Y ; K + 3 = X 3 Y3 R = cd,1, 1 ; ; R =. 3,1 cd 3,1.5. Sysèmes d émsson rado mpulsonnelle RI-ULB Le chox d une archecure en émsson dépend de l applcaon vsée. Pluseurs paramères els que les conranes echnques d mplémenaon, le coû, la complexé à êre confgurable, peuven nervenr dans l éude du sysème Emeeurs RI-ULB Les crères de défnon d un sgnal ULB permeen d envsager les mécansmes les plus varés pour que le sgnal éms a une largeur de bande supéreure à la valeur requse de 5 MHz [57]. De façon générale, une mpulson ULB convenonnelle es défne par : sa fréquence cenrale 63

66 sa bande passane à -3dB ou -1dB sa durée son amplude crêe-à-crêe sa pussance sa forme d onde Au nveau de l émsson, ros âches son à accomplr : la généraon des mpulsons e noammen le chox de la forme d onde ; la modulaon des mpulsons suvan le schéma de modulaon chos ; la préparaon du sgnal pour l émsson par l anenne.. 5. Formes d ondes RI-ULB La echnologe ULB es basée en général sur des formes d ondes de rès coure durée de l ordre de la nanoseconde. Dfférenes formes d mpulsons peuven êre combnées avec l ULB, les plus ulsées son la gaussenne e ses dérvées, celle de Mancheser ou encore des mpulsons basées sur les polynômes orhogonaux [58]. Il a éé démonré [53] que les formes d ondes les plus adapés aux sysèmes de communcaon e surou aux sysèmes de localsaon ULB son les dérvées de la gaussenne, parculèremen la seconde dérvée e les polynômes orhogonaux, noammen les polynômes de Gegenbauer. Nous les déallons dans cee secon L mpulson Gaussenne e ses dérvées L mpulson gaussenne consue un modèle mahémaque faclemen manpulable e compable avec les possblés de flrage réel, son expresson dans le domane emporel es donnée par l équaon.15 : g / σ = Ae.15 Où es l amplude e σ représene le paramère fxan la largeur de l mpulson. L nconvénen de l mpulson gaussenne résde dans sa valeur moyenne non nulle, qu correspond dans le domane fréquenel à une composane connue mporane. L mpulson gaussenne ne peu donc généralemen pas se propager sans déformaon, e on lu préfère généralemen l mpulson monocycle, la gaussenne ransposée en fréquence par un mélange avec une poreuse snusoïdale don l expresson es donnée par l équaon.16 ou encore sa seconde dérvée vor Fgure.9. g f σ = Acosπf c e /.16 64

67 L mpulson monocycle es généralemen modélsée comme l opposé de la dérvée premère de la foncon gaussenne. Son expresson es donnée par l équaon.17 g p = a / τ exp[ / τ ].17 Où es une consane de normalsaon, τ es la consane permean d ajuser la largeur de l mpulson. La ransformée de fourrer de cee mpulson es auss une dérvée premère de la gaussenne, elle es donnée par l équaon.18. Le specre de l mpulson es relavemen consan sur une large bande de fréquence auour de la fréquence maxmale. g p f τ 3 / = afτπ exp πf.18 La forme d onde de la famlle gaussenne la plus courammen ulsée dans les sysèmes de rado par mpulson a éé proposée par Wn e Sholz [59], l s ag de la second dérvée de la Gaussenne. Cee dernère possède l avanage de ne pas présener de composane connue, ce qu lme les ondes saonnares ndésrables dans les anennes lors de l émsson. Son expresson es donnée par l équaon.19 : g s = [1 4π ]exp[ π ].19 τ τ Où τ es la consane permean d ajuser la largeur de l mpulson. Cee forme d onde sera donc ulsée dans nore modèle vor chapre 3. Amplude normalsée [V] Gaussenne éme dérvé Monocycle DSE normalsée [db] Gaussenne éme dérvé Monocycle Temps [ns] Fréquence [GHz] Fgure. 9 : Impulson Gaussenne e ses dérvées. 5.. Les foncons orhogonales cas des polynômes de Gegenbauer La noon de sysème orhogonal de foncons es apparue à ravers l éude de cerans problèmes d analyse fonconnelle équaons négrales, séres de Fourer, problème de Surm-Louvlle e plus généralemen avec les problèmes lés aux lmes dans les équaons 65

68 aux dérvées parelles Laplace, Schrödnger. Parm ces polynômes, on peu cer ceux d Herme, de Jacob, Gegenbauer, Tchebchev, Legendre ou ceux de Laguerre [6]. La largeur de l mpulson générée par ces polynômes es praquemen consane, d où la possblé de les ulser pour la communcaon e la localsaon ULB. Les premers ravaux sur le chox des formes d ondes on monré les aous des polynômes de Gegenbauer pour la echnologe ULB [61]. Ils peuven êre consdérés comme des généralsaons des polynômes de Legendre pour des sysèmes à symére sphérque en dmenson n+. Ces polynômes sasfon une équaon dfférenelle du second ordre donnée par : " ' 1 x Gn, β x β + xgn, β x n n + β + Gn, β x = avec β > 1. Où x représene le emps en nanosecondes ns [-1,1], n correspond à l ordre du polynôme e β, le paramère défnssan la famlle de polynôme des Gegenbauer. Il a éé démonré dans des éudes anéreures [6] que la valeur de β = 1 correspond à des foncons de Gegenbauer avec des melleures performances en ermes d auocorrélaon e d ner corrélaon. Les dfférens ordres des polynômes de Gegenbauer son relés par l équaon de récurrence : G n + β 1 n + β x = 1 + xgn 1, β x 1 + Gn β pour n>1.1 n n n, β, x La condon d orhogonalé es vérfée, pour ou m n, le polynôme G n, de degré n es orhogonal à ou polynôme l nervalle [-1,1] s : G m de degré m nféreur ou égal à n pour une varable dans avec w x, la foncon de pondéraon. Gn, β x. Gm, β x. w x dx =. L équaon.1 perme d obenr les quare premers ordres des polynômes de Gegenbauer suvan La représenaon emporelle des 4 premers ordres des polynômes de Gegenbauer es fae à la Fgure.1: 66

69 G β, x = 1 G1 β, x = βx G β, x = β + β 1 + β x 4 3 G, = β x β β x β β β x Amplude normalsée [V] G G1-1.5 G G Temps [ns] Fgure. 1 : Représenaon emporelle des 4 premers ordres de Gegenbauer pour β = 1 Pour pouvor ulser ces polynômes dans un sysème ULB, les mpulsons générées doven êre dans un nervalle borné. Une soluon permean de respecer cee condon a éé proposée dans [6] en mulplan G n β, x par un faceur w x, β qu correspond à la racne carré de la foncon pondérée de cee famlle de polynôme. L éude des foncons d auocorrélaon e d nercorrélaon consue une éape mporane. La foncon d auocorrélaon perme de déermner une pérodcé cachée d exrare un sgnal noyé dans le bru. Quan à la foncon d nercorrélaon, elle aen son maxmum lorsque les deux sgnaux son superposés ««au meux» [6]. Cela perme de comparer deux sgnaux e de eser leur ressemblance. Les foncons d auocorrélaon des polynômes de Gegenbauer modfés on une forme semblable à la foncon snc x dans laquelle la valeur maxmale du pc es obenue à l orgne. Cee foncon d auocorrélaon deven de plus en plus éroe quand l ordre du polynôme croî, une propréé qu s avère rès mporane pour la communcaon ULB e parculèremen pour l accès mulple. 67

70 Les dfférens ypes de modulaon RI-ULB Pour que la ransmsson so possble à ravers un canal physque donné, l es nécessare de moduler le sgnal à émere en modfan un ou pluseurs paramères fréquence, amplude, phase... Il exse pluseurs ypes de modulaon pour les sysèmes rado ULB mpulsonnelle : modulaon par poson de l mpulson PPM : Pulse Poson Modulaon : elle consse à ransmere l nformaon à l ade de la poson emporelle de l mpulson. Cee modulaon s appue sur M éas dfférens M-PPM correspondan chacun à une poson de l mpulson dans le emps symbole. Elle se dsngue par la smplcé de sa mse en œuvre à l émsson, qu dépend de la capacé à conrôler l nsan d émsson de l mpulson [63]. modulaon par Amplude de l mpulson PAM : pulse Amplude Modulaon : Il s ag d une alernave à la modulaon PPM. Elle consse à arbuer une amplude donnée à l mpulson en foncon de la donnée à ransmere. En héore, le PAM peu avor pluseurs nveau M-PAM, mas en praque, le nombre d éa es lmé à deux +ou -1, on parle alors de modulaon -PAM ou modulaon anpodal BPSK pour Bnary Phase Shf Keyng. Cee dernère es rès robuse face aux varaons du canal e smplfe la synchronsaon. Le sgnal s modulé en -PAM s écr : d k kt f s = ω.4 où d k [-1, +1], représene le symbole ransms e T f es la durée des symboles. Une aure varane de la modulaon PAM es la modulaon OOK, où d k [, 1]. Une mpulson es ransmse lorsque le symbole de donnée es 1, aucune mpulson n es ransmse lorsque le symbole de donnée es. La modulaon OOK perme de rédure la complexé e le coû de l mplémenaon. Cependan, une des dffculés pour le récepeur à déecon d énerge es la déermnaon du seul opmal de déecon qu délmé l absence ou la présence de l mpulson. Nous avons exploé la modulaon BPSK pour nore sysème de localsaon. modulaon PSM Pulse Shape Modulaon : l s ag d une approche fondée sur la modulaon de la forme d onde des mpulsons ULB. Cee modulaon perme d obenr des mpulsons orhogonales e de mnmser les nerférences mululsaeurs e les nerférences ner-symboles. La modulaon PSM es une 68

71 alernave à la modulaon PAM e PPM. Elle nécesse un ensemble d mpulsons adapées aux modulaons d ordre supéreur. Les foncons orhogonales les plus ulsées pour la modulaon PSM son : les foncons assocées aux mpulsons d Herme modfées MHP pour Modfe Herme Pulses proposé par Ghavam e al. en [64] ; les foncons d ondes sphéroïdales PSWF pour Prolae Spheroïdal Wave Funcons proposées par Usuda e al. en 4 [65] ; les foncons d ondelees orhogonales Bale-Lemare proposées par Km e al. en 5 [66], les foncons d ondelees orhogonales Haar proposées par Zhang e Zhou en 5 [67] e les foncons de Gegenbauer proposées plus récemmen par F. Elbahhar e al. [68]. L orhogonalé des sgnaux éms dans la modulaon PSM perme une déecon plus facle au nveau du récepeur Technques d accès mulple pour l ULB mpulsonnel Pour assurer l accès mulple, la soluon mono-bande ulse généralemen des echnques à sau emporel TH-UWB 8 ou par séquence drece DS-UWB Accès mulple à sau emporel Tme Hoppng : TH Cee méhode d accès mulple, nrodue en 1993 par R. Sholz [69], es la premère à êre ulsée avec la rado mpulsonnelle e oujours l une des plus employées de nos jours. Son prncpe repose sur la dfférenaon des ulsaeurs par des nsans d émsson des mpulsons à l ade d un code pseudo aléaore connu de l émeeur e du récepeur. Chaque symbole de durée T s es dvsé en N f rames de durée T f chacune avec N f T s = Ts, N f correspondan au nombre d mpulsons par symbole. Chaque rame es dvsée en N c chps de durée T c chacun où N c correspond à la longueur du code, T c à la durée du chp, e N c T c = T f. Dans le symbole, chaque chp conen une seule mpulson d un ulsaeur, qu es conenue dans un slo déermné. C es donc par le slo conenan l mpulson que les ulsaeurs son dfférencés. Pour un ulsaeur donné, l ensemble des slos conenan les mpulsons du symbole es ans déermné par le code de sau. Le Tme Hoppng peu êre ulsé avec l ensemble des modulaons présenées précédemmen e le sgnal résulan de cee assocaon éms par un ulsaeur k s écr : + j= k k k k s = α p jt c T δd.5 j f j c j 8 Tme Hoppng UWB 9 Drec Sequence UWB 69

72 k es l ndce se rapporan à un ulsaeur donné. j es l ndce de la rame, fracon enère du emps symbole Ts. k α j es l amplude de l mpulson, ses valeurs dépenden de la modulaon chose. c j es le j ème élémen de la séquence pseudo-aléaore de pérode N c chps. Chaque élémen de la séquence es un ener comprs dans l nervalle [, N c - 1]. d j es le j ème symbole à ransmere parm ceux dsponbles pour la modulaon PPM. δ es alors l nervalle de emps de la modulaon. p es l expresson de la forme d onde de l mpulson ransmse. s k es le sgnal éms par l ulsaeur k. Dans le cas parculer de la PPM, deux élémens déermnen la poson de l mpulson dans un emps symbole, le symbole lu-même car la modulaon PPM enraîne un décalage plus ou mons grand de l mpulson e la séquence pseudo-aléaore du code de sau. La Fgure.11 propose une llusraon du TH-PPM. Fgure. 11 : Illusraon du TH-PPM ulsan les bs e «1» Effecuer l accès mulple par sau emporel TH présene enre aures l avanage d alérer la pérodcé du sgnal [7] supprman ans les raes specrales e, s la séquence pseudoaléaore es suffsammen longue, le sgnal ULB peu êre assmlé à un bru blanc gaussen dans la bande qu l occupe. Par alleurs, afn de pouvor décoder un sgnal ULB, le récepeur a la nécessé de connaîre la séquence pseudo-aléaore ulsée par l émeeur, ce qu perme de garanr un ceran nveau de confdenalé aux données ransmses. 7

73 Accès mulple par séquence drece DS-UWB La modulaon par séquence drece DS-UWB consue la soluon préconsée par le groupe de normalsaon IEEE [71]. Elle ulse la réparon de la bande de fréquences ULB sous la forme de deux double-bandes, s'éendan respecvemen de 3.1 à 4.85 GHz e de 6. à 9.7 GHz. Sur ces double-bandes, les mpulsons émses on une durée d'envron.3 à.5 ns, e se composen de pluseurs cycles. Dans un premer emps, seule la bande nféreure a éé ulsée afn de smplfer l'archecure des sysèmes de ransmsson rado. Chaque ulsaeur se dfférence par sa propre séquence pseudo-aléaore qu affece la phase de l mpulson dans chaque rame, un b de donnée éan alors ulsé pour moduler ces mpulsons. Les symboles ransms son représenés par des codes d éalemen don la longueur équvau à celle de la rame. Il en résule un sgnal consué d une ransmsson connue de ces mpulsons ULB don le nombre dépend de la longueur du code pseudo-aléaore e du déb fxé par le sysème. On ne rerouve plus le for rappor cyclque présen en rado mpulsonnelle. En normalsaon IEEE a, les mpulsons son concaénées en burss pus, dans chaque burs, elles son modulées en polaré phase. Le DS-UWB s applque par le bas de séquences pseudo-aléaores qu conrôlen la polaré des mpulsons. Comparés aux sysèmes rado mpulsonnelle sandard exemple du TH-PPM, le DS-UWB es plus facle à mplémener du fa des bandes de fréquence mons larges qu relâchen des conranes sur les composans RF [7]. Dans la mesure où cee echnque d accès rese basée sur des mpulsons, elle demeure robuse face aux rajes mulples. Une représenaon d un emps symbole d un sgnal DS-UWB es proposée Fgure.1. Fgure. 1 : Représenaon d un symbole en DS-UWB 71

74 . 6 Modélsaon du canal de propagaon rado ULB Paramères caracérsques d un canal de propagaon rado En général, un canal de propagaon rado es caracérsé par pluseurs paramères don: Les peres par propagaon Pah loss : elles désgnen l affablssemen moyen de la pussance sur un sgnal ransms d un émeeur à un récepeur séparé d une dsance d. En espace lbre, le pah loss peu êre exprmé par la formule de Frs donnan le rappor enre la pussance reçue e la pussance émse Eq..6. où GT e P f, d L c 4πfd = GT GR.6 G R représenen respecvemen les gans des anennes à l émsson e à la récepon, c es la céléré, f la fréquence e d la dsance enre l émeeur e le récepeur. Cee relaon n es valable que lorsque d es supéreure à la dsance de Fraunhofer d f [73], qu es relée à la plus large dmenson de l anenne d émsson D e à la longueur d onde λ du sgnal éms par la relaon : D d F =.7 λ Cee équaon peu êre réadapée de manère à ce que les dépendances en effe de masque, en dsance e en fréquence largeur de bande, fréquence cenrale, pussen êre prses en compe Eq..8 : P f, d L Où db P f d = PL f, d db + 1n f log1 db + 1nd log1 db + χσ db.8 f d L f, d db ndque la pere en pussance observée sur la dsance de référence d = 1 m à la fréquence f 3. n f e n d son les coeffcens d aénuaon en fréquence e en dsance. Enfn χ σdb correspond à une varable Gaussenne cenrée d écar-ypeσ. Elle donne une ndcaon de la varaon moyenne de la pussance due au masquage. Pour n =, on se rerouve dans la confguraon d une propagaon en espace lbre. d Profl des reards en pussance ou Power Delay Profle : PDP : le profl des reards en pussance PDP correspond à la pussance moyenne reçue en 3 Il s ag généralemen de la fréquence cenrale de la bande de fréquence consdérée 7

75 foncon du emps ou des reards enre les dfférens rajes. Ce paramère es obenu à parr d un ensemble de N réponses mpulsonnelles mesurées pour une confguraon émeeur-récepeur quelconque, en moyennan leur pussance Eq..9. N 1 PDP τ = P, τ = h, τ.9 h N = 1 Éalemen des reards : l éalemen des reards d un canal peu êre qualfé en ulsan un ou pluseurs des paramères suvans : Reard oal ou maxmum τ max : ndque le reard le plus exrême dû aux mulrajes e au-dessus du seul consdéré. Auremen d, l représene l nervalle de emps duran lequel les rajes les plus sgnfcafs en énerge arrvan au récepeur passen en dessous du seul consdéré. Reard moyen τ m : décr le emps de propagaon moyen d un sgnal de l émeeur au récepeur. S l on consdère le PDP de la réponse mpulsonnelle dscrèe du canal où les pussances leurs reards relafs τ k Eq..3, ak des rajes son exprmées en foncon de = δ τ h τ τ.3 k a k Le reard moyen représene alors le momen d ordre 1 du PDP e peu êre décr par Eq..31 : k a kτ k k τ = a.31 Dsperson des reards : noée σ τ ou τ rms pour Roo Mean Square, k mesure la dsperson emporelle du sgnal dans le canal. Ce paramère es calculé à parr du profl de pussance assocé par Eq. 3.. Il représene l écar-ype du momen d ordre du PDP. Ce derner paramère es rès mporan pusqu l représene une mérque pour évaluer s le canal es sélecf en fréquence, s l on rsque des nerférences ner-symbole IIS e par conséquen, s on a beson ou non d applquer une égalsaon du canal. Afn d éver les problèmes d nerférences, l es souven recommandé de chosr des symboles avec des pérodes assez élevées par rappor à ce paramère T > 1 τ. k rms 73

76 σ τ = τ τ.3 Bande de cohérence Bc : c es la bande de fréquence sur laquelle on peu consdérer l aénuaon consane en foncon de la fréquence. Elle peu êre calculée à l ade de la foncon d auocorrélaon f, de la foncon de ransfer relée au PDP par une ransformée de Fourer : + j = τ π fτ Ph, e dτ R f,.33 T D aures paramères els que l éalemen Doppler ou la cohérence emporelle peuven auss êre consdérés.. 6. Technques de modélsaon d un canal de propagaon rado On peu regrouper les méhodes de modélsaon d un canal de propagaon en deux ensembles : les modèles sasques e les modèles déermnses Modèles sasques Ces modèles conssen à accéder aux caracérsques sasques du canal obenues à parr des mesures ou des smulaons afn d en dédure le comporemen moyen du canal. Celu-c se résumera ans à des los sasques adéquaes. Ce genre de modèle es effcace s l on veu caracérser les performances d un sysème de communcaon devan opérer dans une large varéé d envronnemens e/ou de confguraon. Cependan, la mesure ou la smulaon d une grande quané de données devan respecer des crères de fablé son nécessares afn de valder un modèle. On cherche généralemen à denfer les valeurs relaves aux ampludes α k aux phases θ k e aux reards τ k des composanes mulrajes MPC 31 de la réponse mpulsonnelle du canal Eq..34 afn de déermner leurs sasques. Ensue, à parr de ces sasques, le modèle es paraméré par un ensemble de los sasques comparé aux modèles sasques exsans connus. R T. 6.. Modèles déermnses jθk = α e δ τ h τ, τ k k k.34 Ces modèles son spécfques à l envronnemen smulé, ls reposen sur la descrpon géomérque e élecrque précse du mleu de propagaon dans la bande de fréquence éudée. Le bu es d accéder drecemen à la réponse mpulsonnelle du canal en prenan en 31 Mulpah Componens 74

77 compe oues les neracons renconrées par les ondes sur le parcours enre l émeeur e le récepeur. On peu dsnguer deux sous caégores : Les méhodes numérques exaces : égalemen ulsées pour modélser les anennes ou pour éuder la CEM 3, les méhodes numérques son basées sur la résoluon numérque des équaons de Maxwell. Malgré leur exacude e effcacé, ces méhodes son complexes e exgen des capacés de calcul e de sockage consdérables. En effe, la modélsaon passe à ravers la dscrésaon de l envronnemen en pxels ou en voxel en 3D de dmensons nféreures à la longueur d onde λ, ce qu s avère dffcle à la praque pour les grandes srucures à des gammes de fréquence élevées. Les méhodes asympoques : ces méhodes son généralemen ulsées lorsque les dmensons de la majoré des obsacles renconrés dans le canal son suffsammen grandes par rappor aux longueurs d ondes des sgnaux. Ces méhodes on l avanage d accéder drecemen aux phénomènes physques de la propagaon e à cerans paramères du canal jugés essenels pour l évaluaon e la concepon des sysèmes de communcaon numérques acuels comme le profl reard-pussance PDP, l éalemen des reards, l éalemen Doppler ou encore l éalemen angulare. Ces méhodes s appuen généralemen sur une approche par rayons. Cee approche es une combnason de l opque géomérque OG e de la héore unforme de la dffracon TUD. Elle consse, à parr d une combnason préalable de la géomére de l envronnemen emplacemen de l émeeur e du récepeur, ype d anennes, poson des obsacles e leurs propréés élecrques de rechercher dans un premer emps ous les rajes qu relen l émeeur au récepeur. Ensue es calculée la conrbuon de chaque raje au sgnal reçu. L assocaon de la TUD à l OG ven du fa que cee dernère ne prend pas en compe les effes dus à la dffracon. Cee méhode présene un bon comproms enre emps de calcul e précson. On peu égalemen précser que pendan la phase de recherche des rajes, l OG peu s appuyer sur deux ypes de echnques : le racé de rayons ou le lancé de rayons. Les méhodes asympoques peuven êre assocées aux méhodes numérques exaces pour amélorer d avanage les résulas. 3 Compablé Elecromagnéque 75

78 Modélsaon du canal de propagaon dans le conexe ULB La spécfcé du canal de propagaon ULB résde dans sa largeur de bande rès mporane enre 3 e 1 GHz. La modélsaon du canal mpose alors une prse en compe de la dépendance en fréquence des phénomènes physques e des paramères de propagaon enre les haues e les basses fréquences de la bande consdérée. De ce fa le recours aux méhodes asympoques ou aux méhodes sasques s avère plus asé. Nous présenons dans cee secon les modèles sasques de canaux ULB exsans dans la léraure Modèle de canaux sasques IEEE Dans le bu de fournr un modèle de canal unque pour eser les dfférenes proposons de sysèmes ULB lors des débas de normalsaon, deux modèles sasques on éé défns, l un pour les applcaons coue porée, hau déb en ndoor, c es le modèle IEEE 815.3a, e l aure pour les applcaons à plus longue porée en ndoor e oudoor, c es le modèle IEEE a. Ces deux modèles son déallés dans cee secon. A. Le modèle IEEE a Ce modèle se fonde sur des mesures prses dans des envronnemens néreurs résdences, apparemens, bureaux. Il reflèe le comporemen de la propagaon des sgnaux ULB sur de coures porées à 1 m dans quare scénaros dfférens LOS pour Lne Of Sgh/ NLOS pour Non Lne Of Sgh. Quelques paramères on éé prs en consdéraon pour la mse en œuvre de ce modèle, noammen : la dsperson des reards RMS delay spread ; le profl de pussance reard ; le nombre de mulrajes e le cluserng. Ce derner es ms en évdence en s appuyan sur l approche de de Saleh Valenzuela S-V avec une dsrbuon log-normale des ampludes des rajes [74]. La réponse mpulsonnelle du modèle es décre par l équaon.35. où L K h = X α, δ τ T τ,.35 l= k= X es la varable aléaore représenan l effe de masquage suvan une lo log-normale, le correspond à l éme réalsaon, α k,l représene l amplude du k éme raje du l éme cluser, T l es le reard du l éme cluser, τ k,l correspond au reard du k éme raje apparenan au l éme cluser. k l l k l 76

79 Les dsrbuons des emps d arrvée de groupe e du emps d arrvée des rajes son données par : Λ T l 1 1 = Λ l T p Tl Tl e.36 k, l k 1, l = λ τ τ k, l k 1, l p τ τ λe.37 où Λ e λ représenen respecvemen les aux d arrvée des clusers e des rajes. Á parr des coeffcens α = défns comme éan le produ enre les k, l p k, lξl β k, l coeffcens des évanoussemens à grande e à pee échelle, on peu exrare de l Eq..38 les coeffcens de décrossance exponenelle ner- e nra-cluser Γ eγ. τ Tl / Γ k, l E[ ξ β ] Ω e e l k, l / γ =.38 Cee équaon représene le comporemen du PDP moyen. p, désgne une varable k l équprobable +/-1 fxan la polaré due aux réflexons mulples, ξ l représene l aénuaon assocée au l éme groupe e β k, l correspond à l aénuaon assocée au l éme raje du j éme groupe. La dsrbuon de l aénuaon à grande échelle su une lo log-normale donnée par : log ξ l β k l Normal µ k lσ ,, 1 σ où σ 1 e σ son respecvemen les écar-ypes des flucuaons de pussance par cluser e par raje selon la lo log-normale, µ k, l représene la moyenne de la lo log-normale. L aénuaon des grandes échelles logarhmque normale de l énerge oale conenue dans le erme α k, l es normalsée à l uné pour chaque réalsaon. Ce erme d aénuaon es donné par Eq..4. log X Normal, σ.4 1 X Quare confguraons de canal on éé défnes : - CM 1 correspond à une confguraon LOS, à 4 m ; - CM correspond à une confguraon NLOS, à 4 m ; - CM 3 correspond à une confguraon LOS, 4 à 1 m ; 77

80 - CM 4 correspond à une confguraon NLOS avec une mporane dsperson des reardsτ = ns. rms 5 B. Le modèle IEEE a Ce modèle a éé développé afn de compléer le modèle IEEE a. Les applcaons vsées son de ype bas déb de 1 kb/s à quelques Mbs/s, dans des envronnemens ndoor résdenels e de bureau, oudoor, mas auss ndusrels usnes ec.. Le modèle couvre deux bandes de fréquence de.1 à 1 GHz e de à 1 GHz. La dfférence majeure du modèle IEEE a par rappor au modèle IEEE a résde dans la prse en compe de la dépendance fréquenelle des peres de propagaon P L e la précson concernan les flucuaons du nombre de clusers e des rajes. Ce modèle, se veu ndépendan des anennes ulsées. Ses paramères caracérsques son : - La modélsaon des peres de propagaon à la fos en dsance e en fréquence donné par Eq..41 ; PL f, d = PL f PL d.41 - La dépendance en fréquence, don l expresson es donnée par Eq..4 ; P k L f f.4 - La dépendance en dsance, donnée par Eq..43 d P d = P 1nlog.43 L L + 1 d Le modèle IEEE a es basé sur l approche S-V modfée en enan compe du phénomène de cluserng. Par alleurs, l arrvée des rayons su une lo mxe composée de deux processus de posson. Le modèle propose donc deux aux d arrvée des rayons λ 1 e λ ans qu un paramère de mxé β comme exprmé dans Eq..44. ] 1 k, l k l, l k, l k l, l p τ τ = βλ e + β 1 λ e, k 1.44 k, l k 1, l 1 [ λ τ τ [ λ τ τ Les flucuaons du nombre moyen de cluser suven une dsrbuon de posson de ype : pdf L L L L e L =.45 L! ] 78

81 La décrossance exponenelle de chaque cluser augmene avec le reard. On a donc une dépendance du coeffcen de décrossance exponenelle nra-cluser du ype : γ l k γ Tl + γ.46 Les varaons pee échelle de l amplude des rayons son modélsées par une lo de Nakagam avec un faceur m 1/ : pdf x m = m x m m 1 Ω x e.47 Γ m où Γ m représene la foncon gamma, m le faceur de Nakagam e Ω la pussance moyenne. Dans nore raval, le modèle de canal IEEE a a éé ulsé pour évaluer les performances du sysème ULB-RT proposé, en héore e en smulaon. Nous avons égalemen modélsé un canal de propagaon basé sur la méhode de l opque géomérque e la héore des mages, ce modèle es présené dans le chapre Sysème de récepon RI-ULB Deux phases caracérsen le processus de récepon du sgnal RI-ULB : - La synchronsaon consse à caler le récepeur sur les nsans d arrvée des mpulsons dans la mesure où celles-c on sub l nfluence du canal, noammen la dsperson de l énerge de chaque mpulson à ravers les rajes mulples ; - La démodulaon, son prncpe es de rerouver l nformaon qu a éé ransmse à ravers les mpulsons reçues. Le prncpe des processus de synchronsaon e démodulaon ans que leurs complexés dépenden de la modulaon ulsée en émsson mas auss de l archecure de récepon. Dfférens ypes de récepeurs peuven ans êre ulsés pour les sysèmes RI-ULB. On peu les classer en deux caégores : les récepeurs cohérens e les récepeurs non cohérens : Ω Récepeurs cohérens cas du récepeur Rake : En rason de sa rès large bande passane, le sgnal RI-ULB reçu es composé d un grand nombre de mulrajes. Le récepeur Rake exploe la dversé emporelle nhérene de ces mulrajes e ene de recuellr un maxmum d énerge cohérene. Ce derner es consué d un nombre de dogs réalsan chacun une corrélaon sur le raje sur lequel l es verroullé, suv d une opéraon de combnason sur l ensemble des sores des 79

82 dogs. Le nombre de mulrajes éan rès élevé dans le conexe ULB, la collecon d un maxmum d énerge requer un rès grand nombre de dogs dans le récepeur [75]. Récepeurs non cohérens : la dffculé de réalser un récepeur Rake condu à prvléger des soluons de récepon non cohérene. Cee echnque nécesse peu d nformaon sur le canal e perme auss de combner l énerge dsponble malgré les dsorsons qu affecen le canal. On dsngue deux ypes de récepeurs pour cee caégore : les récepeurs à déecon d énerge e les récepeurs à ransmsson de référence [76] [77].. 8 Concluson Nous avons consacré le deuxème chapre de ce mémore de hèse à la présenaon de la echnologe ULB, de la echnque du reournemen emporel pus, des mérques de localsaon assocées. La communaué scenfque a exprmé un nérê parculer envers l ULB dès le débu des années 7. Aujourd hu, l ULB es une echnologe employée dans dfférenes applcaons e pluseurs moyens echnques peuven êre ulsés pour générer un sgnal ULB selon les crères défns par la Régulaon. La réglemenaon du specre rado ULB es désormas srucurée pour chaque ype d applcaon e nous avons effecué une présenaon générale de cee réglemenaon en s aardan sur la normalsaon en envronnemen ferrovare qu consue l applcaon cble de nore raval de recherche. Les prncpes e caracérsques du reournemen emporel ans que son appor à l ULB on égalemen éé présenés dans ce chapre. Dans la dernère pare du chapre, nous avons présené les prncpales composanes d un sysème RI-ULB en décrvan la pare émsson, la pare canal de propagaon e la pare récepon. Dans le chapre suvan, nous présenons en déals la soluon de localsaon proposée e basée sur l assocaon des echnques rado ULB e RT. Les paramères d enrée e les modèles ulsées pour l évaluaon des caracérsques du RT e des performances du sysème seron présenés ans qu une éude comparave enre le sysème de localsaon RI-ULB convenonnel e le sysème ULB-RT proposé. 8

83 Chapre 3 : Éude héorque e évaluaon par smulaon du sysème de localsaon ULB-RT proposé 81

84 3. 1 Inroducon Ce chapre es consacré à nore conrbuon scenfque poran sur la proposon d un sysème de localsaon assocan l ULB au RT. L objecf es de monrer les avanages de l assocaon du RT à l ULB pour l applcaon à la localsaon. Pour ce fare, la premère pare du chapre es consacrée à l évaluaon des caracérsques du RT e à son appor à l ULB. Une éude héorque sur les propréés du RT y es effecuée en ulsan deux modèles de canal. L un basé sur une approche déermnse e le second, sur le modèle IEEE a. Dans la seconde pare du chapre, nous menons une éude comparave en ermes de précson de localsaon enre le sysème de localsaon ULB convenonnel e le sysème de localsaon ULB-RT proposé, en mean en jeux pluseurs paramères qu peuven avor une nfluence sur les performances. 3. Évaluaon des caracérsques du RT en conexe ULB Nous évaluons dans cee sous-secon les prncpales caracérsques du RT e son appor à l ULB. Les paramères d enrée, les modèles de canaux de propagaon ulsés ans que les résulas des évaluaons son présenés Prncpe de l éude Le prncpe du sysème ULB-RT que nous proposons présene ros éapes. Inalemen, la réponse mpulsonnelle du canal es évaluée pus, enregsrée au nveau de l émeeur Tx. Dans une seconde éape, cee réponse mpulsonnelle es reournée dans le emps pus, ransmse dans le canal de propagaon vers le récepeur Rx. Le prncpe de l ULB-RT peu êre décr mahémaquemen en noan s l mpulson ransmse, h la réponse mpulsonnelle du canal e h*- le conjugué de la réponse mpulsonnelle reournée dans le emps. On noera par y le sgnal reçu sans RT e par y RT le sgnal reçu avec RT au nveau du récepeur. Leurs expressons son données par : y = s h 3.1 y RT = s h* h 3. Où représene l opéraon de convoluon. De l équaon 4., nous dédusons la réponse mpulsonnelle équvalene heq qu correspond à la foncon d auocorrelaon du canal : heq = h* h 3.3 8

85 Cee foncon d auocorrélaon perme d évaluer les deux prncpaux avanages assocés généralemen au RT à savor : la capacé de focalsaon emporelle e celle de focalsaon spaale. Dans cerans cas d envronnemen de propagaon raés par la bblographe, cee assocaon ULB-RT appore des améloraons sgnfcaves par rappor à la echnque rado ULB employé seule [78]. Pour l éude de la focalsaon emporelle, nous évaluons le gan de focalsaon GF défn comme le rappor du plus for pc reçu en RT au plus for pc reçu par un sysème mpulsonnel ULB classque : max y GF = RT [ db ] log1 max y 3.4 L éude de la focalsaon spaale FS es menée en consdéran un sysème ULB-RT doé d une confguraon d anennes en SISO modèle de canal obenu par la méhode des rayons présené dans la sous-secon suvane. La réponse mpulsonnelle du canal pour une poson p de référence du récepeur cble auquel les nformaons son desnées es noée h p,. La réponse mpulsonnelle du canal pour une poson p qu on appellera poson nerférene es noée h p,. La réponse mpulsonnelle équvalene du récepeur cble es alors donnée par : heq p, = h* p, h p, 3.5 Tands que la réponse mpulsonnelle équvalene du récepeur nerféren es donnée par : heq p, = h* p, h p, La focalsaon spaale peu alors êre évaluée par le rappor du plus grand pc de pussance reçu par le récepeur cble au plus grand pc reçu par le récepeur nerféren : max heq p, FS[ db ] = log1 3.7 max heq p, 3.. Paramères d enrée e modèles de canaux ulsés Nous éudons dans ce paragraphe les paramères d enrées à consdérer pour l évaluaon du RT en conexe ULB : La forme d onde L mpulson ulsée dans l éude héorque ans qu en smulaon correspond à la seconde dérvée de la gaussenne. Il s ag dans nore cas d une mpulson ulra brève d une durée de 83 1

86 5 pcosecondes Fgure 3.1, occupan une bande de fréquence d au mons 5 MHz. Ce ype de forme d onde es chos pour son gabar éro e les specres de fréquence rès larges assocés, occupan de quelques MHz à quelques dzanes de GHz. 1 magnude [V] me [ns] Fgure 3. 1 : Forme d onde seconde dérvée gaussenne ulsée Par la sue, d aures formes d ondes elles que le monocycle e les polynômes de Gegenbauer son ulsées afn d éuder l mpac du chox de la forme d onde sur les performances du sysème de localsaon Modélsaon du canal de propagaon L objecf de cee modélsaon es de caracérser la réponse mpulsonnelle du canal afn de pouvor évaluer les performances du reournemen emporel en ermes de focalsaon emporelle e de focalsaon spaale e ans d évaluer l appor du RT dans un sysème de localsaon ULB. Nous exploons deux modèles de canaux de propagaon : les modèles de canaux IEEE a développés dans le chapre e un modèle calculé à parr de la méhode des rayons basé sur une approche déermnse à deux dmensons exploan la héore des mages. Ce modèle es confguré en consdéran un émeeur noé T x e un récepeur noé R x séparé d une dsance d. Le domane de propagaon es délmé par une premère surface horzonale nfne homogène e parfaemen lsse présenan un conrase de permvé. Cee surface es assmlée à un sol e une seconde paro smlare, assmlée à un plafond Fgure 3. es dsposée parallèlemen au sol, à une haueur H. Les sgnaux éms de Tx vers Rx subssen des réflexons sur le sol e le plafond, horms dans le cas du raje drec LOS. Sur la Fgure 3., le numéro de chaque raje correspond aux nombres de réflexons qu l sub enre le sol e le plafond. 84

87 Le premer raje consue le raje drec r, le deuxème raje es le raje réfléch une fos au sol, sa longueur correspond à r 1. Le rosème raje es le raje subssan deux réflexons, une au sol e une au plafond Á parr de ce modèle, l deven possble d obenr la longueur de ous les rajes parcourus par l onde émse en applquan la héore des mages assocée à celle de l opque géomérque [79]. Fgure 3. : Modélsaon du canal de propagaon par la méhode opque e géomérque des mages L expresson procuran la longueur du raje n correspondan au LOS es donnée par l Eq. 3.9 : r = d + l ; l = h hr 3.9 La longueur du raje n 1 correspondan à une réflexon au sol es donnée par l Eq. 3.1 : r 1 = d + l1 ; l 1 = h + hr 3.1 La longueur du raje n correspondan à une double réflexon au sol e au plafond s oben par l Eq : r = d + l ; l = H + h hr 3.11 L expresson donnan la longueur du raje n n, correspondan à n réflexons es donnée par l Eq. 3.1 : r + n = d ln ; l n nh + h hr = n 1 H + h n par + h r n mpar

88 En consdéran l émsson d une mpulson s forme d onde : seconde dérvée gaussenne à ravers ce modèle de canal, l expresson du sgnal reçu en consdéran le bru blanc gaussen AWGN nul : n= s oben par l Eq : Avec : λ yr = 4π N n= 1 y = y y 3.13 d + r λ y d = s τ πr [ R θ ] v n n s τ n + r n N n= 1 [ R θ ] h n n s τ n r n 3.15 Où, y d correspond au sgnal reçu avec le raje drec, r e τ son respecvemen, la dsance parcourue e le emps ms par le raje drec. y r, correspond au sgnal reçu avec les N rajes réfléchs. λ représene la longueur d onde, r n e τ n son respecvemen la dsance parcourue e le emps ms par le raje numéro n rajes réfléchs. R θ e R θ son les v n coeffcens de réflexon assocés respecvemen à la polarsaon vercale e horzonale [79], leurs expressons son données par l Eq e l Eq h n R v R h θ n θ n cosθ = n n ε r ε r 3.16 cosθ + n cosθ sn ε ε r 1 r sn ε sn θ θ θ n n r n = 3.17 cosθ n + ε r sn θ n Avec ε r la permvé relave du sol ou du plafond e θ n représene l angle d ncdence. L angle de réflexon vare en foncon des rajes, l es obenu par l expresson Eq d θ n = arcan 3.18 l + d Où, d e l n représenen respecvemen la dsance enre l émeeur Tx e le récepeur Rx e la dsance enre l mage E n e le récepeur Approche analyque e smulaons L éude de la focalsaon emporelle e spaale es manenan menée en exploan nos deux modèles de canaux séleconnés. n 86

89 Cas du modèle de canal IEEE a Nore applcaon vsan quelques dzanes de mères de porée afn d offrr un servce de communcaon / localsaon, nore chox s es poré sur le canal IEEE a. Ce canal IEEE a es consué de 4 modèles : CM1, CM, CM3 e CM4. Chaque modèle correspond à un ype de confguraon spécfque. Pour nore éude, nous ulsons les ros premers modèles CM1, CM e CM3. Le modèle CM4 es généré avec un reard RMS Roo Mean Square delay spread rès mporan 5 ns, peu adapé à nore applcaon. Pour chacun de ces modèles, nous déermnons la réponse mpulsonnelle équvalene foncon d auocorrélaon du canal, le Power Delay Profle PDP, le gan de focalsaon FG e la focalsaon spaale FS. A. Développemen analyque Tou au long de l éude, nous désgnons par : s : l mpulson ransmse ; h : la réponse mpulsonnelle du canal RIC ; h*- : le conjugué de la RIC reourné. Dans le cas du modèle IEEE a, l éude analyque es effecuée en ulsan des nerférences basées sur les momens sasques affecan les performances du récepeur ULB-RT. En confnan l mpulson sur l nervalle, T ] e en consdéran le domane de défnon A = [, ], le RIC peu êre défne par : [ s = h = α s 3.19 Où α représenen l amplude e le emps d arrvée des rajes. La réponse mpulsonnelle équvalene es donc donnée par : heq = h * h = h * + τ h τ dτ 3. En remplaçan l expresson 3.19 dans 3. : A = A heq = α s τ s + τ dτ

90 La valeur moyenne de la RIC équvalene deven donnée par : { } = E heq E α s τ s τ + dτ 3. A = En ulsan la foncon d auocorrélaon de l mpulson donnée par l expresson : L équaon 3. deven : φ s = s τ s τ + dτ 3.3 A E { heq } E α φ = = 3.4 Le calcul de l énerge moyenne du RIC sur l nervalle générque W = [ a, b] a e b valeurs choses arbraremen donne : E α = Pg d 3.5 IW W s Où I W es l ensemble aléaore conenan les composans des mulrajes. La varance de la foncon énergéque du RIC es donnée par : Où R g Var α = Rg d 3.6 I W W représene le kuross du profl des reards. En ulsan l équvalence 3.5 dans 3.4, on oben : Pour > T s, s =, { heq } = s φ d où E { heq }. E φ P d 3.7 A La moyenne du PDP P g es décre par un modèle suvan un reard exponenel caracérsé par l énerge moyenne reçue E g e le rms delay spread expresson es : P g τ rms du canal. Son Eg = exp / τ 3.8 τ g rms rms Pour déermner R g nous chosssons un processus de posson unforme avec un aux d arrvée des rayons λ raje/s e une dsrbuon de Nakagam-m ulsan une verson smplfée du modèle de canal de Saleh Valenzuela [8]. 88

91 89 λ m P R g g + = 3.9 Dans ce cas, le PDP de la RIC équvalene es donné par : { } heq E PDP RT ULB = 3.3 D où : + + = A RT ULB d d h h h h E PDP µ τ µ τ µ τ 3.31 En remplaçan = s h τ α τ, avec par alleurs, { } = j E α α { } 3 = j E α α e { } { } { } j j E E E α α α α = pour j, on oben : + + = A j k e e k j e k j RT ULB d d s s s s E PDP µ τ µ τ µ τ α α α α 3.3 En effecuan le développemen e en fraconnan les pares où =j ; =k ; =e ; j=k ; j=e ; k=e ; =j=k=e e e k j, l équaon 3.3 deven : = A A RT ULB s E PDP τ α [ + + k k k k s s s µ µ α τ j j j j j s s s, µ τ α µ 3.33 } e e e e e d d s s s, µ τ µ τ α µ L équaon 3.33 es alors composée de ros pares que nous nommons I, II e III : ', E d s s d s s E I s s k k A k k A k k k φ φ α α µ µ µ α τ τ τ α + + = 3.34 avec τ τ τ φ d s s s + = e τ µ µ φ d s s k s ' + = Sachan que d après le héorème des varances : [ ] { } X E X Var X E + = e en fasan un changemen de varable comme su : = X α alors : { } { } { } + = E Var E α α α 3.35 e, en enan compe de : 3.5 e 3.6 { } µ τ µ τ τ τ α d d P P d R E A g g A g + = 3.36

92 9 alors, l équaon 3.34 deven : + = A A g g g s s d d P P d R I µ τ µ τ τ τ φ φ ' 3.37 La deuxème pare donne : + + = A j j j j j d d s s E s s E II µ τ µ τ α µ τ α, 3.38 En fasan le changemen de varable suvan : ξ τ µ + =, nous obenons : { } ξ τ τ ξ τ τ α + = + h h E s s E 3.39 { }, ξ τ τ ξ τ τ α h h E s s E j j j j j 3.4 D après [19] : { } ξ φ τ ξ τ τ s P g h h E = +, + A A s g g d d P P II ' τ ξ ξ φ τ τ 3.41 Où [ ] T l a a A + = τ τ, ', on défn par alleurs que : 1 ' c d A s = ξ ξ φ es l énerge de l auocorrélaon de l mpulson. D où : + A g g d P P c II τ τ τ La rosème pare donne : + + = A e e e e e d d s s s s E III, µ τ µ τ α µ τ α 3.43 { } { } A A A A s s g g d d P P d d h h E h h E III ' ' τ ξ ξ φ ξ φ τ τ ξ τ ξ τ τ ξ τ τ 3.44 Par smplfcaon, + = Φ ' 1 A s s s d d c τ ξ ξ φ ξ φ φ, avec φs Φ l auocorrélaon normalsée de w φ 1 = Φ s φ D où, + Φ A g g s d P P c III τ τ τ φ Donc au fnal,

93 PDP ' φs φs Rg τ dτ + Pg τ Pg µ dτdµ + c 1 + Φφ s Pg τ Pg τ + dτ A A A ULB RT P g τ es décr par un modèle avec décrossance exponenelle, caracérsée par l énerge moyenne reçu E g e le reard de propagaon τ rms du canal [8]. D où : P Eg τ = exp τ / τ 3.47 τ g rms rms Pour déermner R τ, nous aurons beson du processus d arrvée e de l amplude des g rayons. Pour cec, nous ulsons un processus unforme de posson, avec un aux d arrvée des rayons noé λ e une dsrbuon de Nakagam-m de l amplude des rayons. Cec es la verson smplfée du modèle de canal de Saleh-Valenzuela [8] que nous adopons. Alors : 4 P g τ = E{ α τ }λ e R g τ = E{ α τ }λ [81]. D où, 1 1 Rg τ = Pg τ m λ Les Eq. 3.7 e 3.46 devennen alors, sur l nervalle = [ a,b] = [, ] E { heq } D où : a A : = E g exp τ exp τ φs = E g exp τ exp τ φs 3.49 τ rms τ rms τ rms τ rms E b { heq } E = gφs 3.5 PDP ULB RT = φ φ E s ' s g exp a τ rms exp b τ rms Eg + exp a exp b τ τ rms τ rms 3.51 rms Fnalemen pour A = [ ] : Φ exp φ s c φs τ m rms λ PDP ULB RT = E φ E g Φ exp s s c φs τ φ τ m rms λ 3.5 g Le gan de focalsaon présené en 3.7 peu auss s écrre : rms 91

94 avec : PDP GF [ db] max PDPULB RT = 1log max PDP ULB Eg = Pg = exp / τ 3.54 τ ULB rms rms Le pc de corrélaon es localsé à =, d où : e où 1 1 c = 1 + m λ Ans, l Eq deven : Eg max PDPULB = 3.55 τ rms τ / τ 3.56 max PDPULB RT = Eg rms + c1 + c GF B. Résulas analyques e de smulaon rms = 1log1 Eg τ rms + c [ db ] + c Dans cee sous-secon, nous comparons les résulas analyques e les résulas de smulaon poran sur l évaluaon des caracérsques du RT Focalsaon Temporelle : calcul du PDP e du Gan de Focalsaon en ulsan le modèle de canal IEEE a. Le Tableau 3.1 présene les paramères d enrée ulsés pour le calcul analyque e lors des smulaons Modèle de canaux CM1 CM CM3 E g normalsé aux d arrvée des rayons [1/ns] : λ RMS delay [ns]: τ rms Valeur de m Nakagam-m Tableau 3. 1 : Paramères d enrée pour l évaluaon analyque e smulaon des caracérsques du RT avec le modèle de canal IEEE a Quare cas de fgure exsen pour la valeur m apparassan dans la dsrbuon de Nakagam [8] : m=.5 : correspondan à une dsrbuon gaussenne ; m=1 : correspondan à lo de Raylegh c.-à-d. évanoussemen profond ; m=1.5 : correspond à un évanoussemen sévère ; 9

95 m=4 : correspond à un fable évanoussemen. Pour oue l éude analyque e les smulaons, la valeur de m correspondan à un évanoussemen sévère m=1.5 es consdérée. Les Fgures 3.3 a, b, c, d, e, f monren les résulas analyques e de smulaon pour le sysème RT-ULB dans le cas du modèle IEEE a. La moyenne ulsée es de 1 éraons sur chaque modèle de canal CM1, CM e CM3. Ces résulas corresponden à la RIC équvalene heq e au profl des pussances reards PDP ULB RT don les expressons respecves son données par Eq. 3.5 e Eq Nous pouvons alors observer d une par, que les résulas de smulaons concorden avec les résulas de smulaon e, d aure par, que le maxmum de pussance es obenu sur l nervalle d éude où l on rerouve d alleurs la forme de l mpulson ransmse heq-smulaon heq-analyque.8 PDP-smulaon PDP-analyque heq=h.h* PDP= heq ² Temps [ns] a Temps [ns] b heq-smulaon heq-analyque.8 PDP-smulaon PDP-analyque heq=h.h* PDP= heq ² Temps [ns] c Temps [ns] d 93

96 1.8.6 heq-smulaon heq-analyque.8 PDP-smulaon PDP-analyque heq=h.h* PDP= heq ² Temps [ns] e Temps [ns] Fgure 3. 3 : Résulas analyques e de smulaon correspondans respecvemen à la RIC équvalene heq e au profl des pussances reards Power Delay Profle PDP ULB RT : a, b pour CM1; c, d pour CM; e, f pour CM3 Le Tableau 3. présene les valeurs du gan de focalsaon GF don les expressons générale e analyque son données respecvemen par Eq e Eq. 3.57, auss ben dans le cas de l éude analyque que dans celu de l éude effecuée en smulaon. Nous remarquons que le reournemen emporel procure au sysème un gan de focalsaon de l ordre de 7 db dans le cas du modèle CM1, 8 db dans le cas du modèle CM e 1 db pour le modèle CM3. Ans, le gan de focalsaon croî en foncon de la complexé du canal. En élargssan l nervalle d éude dans le cas de nos smulaons, nous pouvons comparer les profls de pussance reards des deux sysèmes à savor le sysème ULB convenonnel avec PDP ULB e le sysème ULB-RT avec ULB RT PDP. Les Fgures 3.4, 3.5 e 3.6 présenen les résulas de cee éude comparave. Nous obenons ans une focalsaon emporelle e une augmenaon effecve de l amplude de la pussance Cec es confrmé par les valeurs du gan de focalsaon GF Tableau 3.. Modèle de canal CM1 CM CM3 GF analyque [db] GF smulaon [db] f PDPULB RT par rappor à ULB PDP. Tableau 3. : Gan de focalsaon analyque e smulaon avec le modèle de canal IEEE a 94

97 PDP [V²] PDP-RT [V²] Temps [ns] a Temps [ns] Fgure 3. 4 : a PDP ULB ; b PDP ULB-RT ; pour le modèle CM 1 b PDP [V²] PDP-RT [V²] Temps [ns] a -4-4 Temps [ns] Fgure 3. 5 : a PDP ULB ; b PDP ULB-RT ; pour le modèle CM b PDP [V²] PDP-RT [V²] Temps [ns] a Temps [ns] Fgure 3. 6 : a PDP ULB ; b PDP ULB-RT ; pour le modèle CM 3 b 95

98 En passan du modèle CM1 au modèle CM3, GF augmene, ce qu es noammen dû à l évoluon de la complexé du canal ans que soulgné précédemmen. Nous en concluons que le RT profe de la complexé du canal ; cec consuera un aou pour l applcaon à la localsaon dans des envronnemens confnés els que les unnels ferrovares, rches en réflexons mulples Cas du modèle ulsan la méhode des rayons Les éudes effecuées pour le modèle IEEE a, son manenan menées avec le modèle exploan la méhode des rayons. De plus, nous fasons nervenr dans la pare smulaon, l évaluaon de la deuxème caracérsque du RT à savor la focalsaon spaale. Ans pour dfférens ypes de confguraon du modèle de canal nombre de mulrajes =, 4 1, nous déermnons la RIC, la RIC équvalene, les PDP les gans de focalsaon emporelle e spaale. Cec nous perme d effecuer une éude comparave sur l ensemble. Les noaons ulsées dans le modèle IEEE a son adopées pour le modèle ulsan la méhode des rayons. Des paramères d enrées supplémenares, en rappor avec la confguraon du modèle de canal proposé son présenés au Tableau 3.3. La confguraon es défne pour une porée d une dzane de mères adapée à nore applcaon de localsaon ferrovare. Paramères d enrée Formes d onde: s Dsance de référence T x -R x : d Haueur de Tx: h Haueur de Rx : h r Haueur du plafond : H Seconde dérvée Gaussenne 1 m 3 m m 4 m Tableau 3. 3 : Paramères d enrée correspondan au modèle ulsan la méhode des rayons A. Développemen analyque Pour le sysème ULB convenonnel, la RIC es donnée par l expresson suvane : N 1 = h = α s 3.57 Où N représene le nombre de mulrajes du canal, α l amplude du raje e le emps ms par le raje. Le PDP correspondan es ans déermné par : 96

99 N 1 ULB = h = = PDP α s 3.58 La RIC équvalene correspondane au sysème ULB-RT es obenue par : ou, = h * + heq = h * h τ h τ dτ 3.59 A = h h * + En remplaçan h par sa valeur, l Eq. 3.6 deven : heq τ τ dτ 3.6 N 1 A = Avec, φ = s τ s τ + dτ s A A heq = α s τ s + τ dτ = α φ 3.61 e A = [,Ts[ φ s, es la foncon d auocorrélaon de l mpulson reçue avec la conrbuon du raje. Le PDP de la RIC équvalene es alors défn comme su : PDP N 1 ULB RT = heq = = N 1 N 1 = s α φ 3.6 Le pc de pussance du PDP PDPULB = α s es obenu à, l correspond au carré de l amplude de la réponse mpulsonnelle à d où: = s max PDPUWB IR = α 3.63 Auss, le pc de pussance max PDP es obenu à =, d où ULB RT N 1 ULB RT = = max PDP α 3.64 d où : N 1 α = GF rajes[ db] = 1log1 α 3.65 L évaluaon de la focalsaon spaale es fondée sur les expressons développées précédemmen, la RIC équvalene e le PDPULB RT son successvemen déermnés à une poson p de poson cble du récepeur pus à une poson p 1 de poson nerférene. 97

100 En se basan sur Eq. 3.61, la RIC équvalene e le PDPULB RT à la poson p son données par : heq p N 1, = α φs = == PDP N 1, ULB RT p = φs = Tands que la RIC équvalene heq p 1, à la poson p1 es donnée par : heq p1, = h p, h p1, = h p, + τ h p1, τ dτ = Ts Ts Ts N 1 α 3.66 ' ' h p1, τ h p, + τ dτ = α β s τ s + τ = = N 1 = d où le PDPULB RT à la poson p 1 α β φ 3.67 ' s PDP ULB N 1 ' 1, α βφs = p = 3.68 RT Avec N les numéros des rajes, α l amplude du raje correspondan à la RIC dédée au récepeur cble, β l amplude du raje correspondan à la RIC dédée au récepeur nerféren. ' Les expressons de φ e φ s qu représenen respecvemen les foncons s d auocorrélaon de l mpulson sur chaque raje pour le récepeur cble e le récepeur nerféren son données par : φ = s τ s + τ dτ 3.69 s A ' ' ' φ s = s τ s + τ dτ 3.7 A En remplaçan l Eq e l Eq dans l Eq. 3.7, l expresson de la focalsaon spaale FS es alors obenue : FS = Log max heq p, = Log max heq p1, [ db] 1 1 N N 1 max α φs = 1 ' max α βφs =

101 B. Résulas analyques e de smulaon Dans cee pare, nous présenons les résulas analyques e de smulaon poran sur l évaluaon de la focalsaon emporelle e spaale. Pour chaque ype de confguraon du canal confguraon à, 6 e 1 rajes, la RIC équvalene, le gan de focalsaon emporelle e spaale ans que le PDP son déermnés. Les Fgures 3.7, 3.8, 3.9 e 3.1 proposen une éude comparave enre les résulas analyques e de smulaon pour les confguraons respecves à, 4, 6 e 1 rajes. Ces résulas corresponden à la RIC équvalene heq e au profl des pussances reards PDP ULB RT. Ans que consaé pour le cas du modèle IEEE a, les résulas de smulaons son smlares à ceux analyques, e par alleurs, la pussance maxmale es obenue dans l nervalle d éude consdérée, où la forme de l mpulson ransmse es rerouvée. Cec es valable pour ous les ypes de confguraon du canal envsagés. Nous relevons un gan de focalsaon par rappor au sgnal reçu sans RT, ce gan de focalsaon es calculé pour les confguraons à, 4, 6 e 1 rajes. Les résulas son présenés au Tableau 3.4. Ces résulas confrmen une fos de plus, que le RT profe de la complexé du canal, en effe, le gan de focalsaon obenu avec une confguraon à rajes es de.97 db.6 db en analyque. Il passe à 5.4 db 5.3 db en analyque pour 4 rajes e à 6.7 db 5.91 db en analyque pour 1 rajes. 1.5 heq-smulaon heq-héorque 1.8 PDP-smulaon PDP-héorque.6 heq PDP Temps [ns] a Temps [ns] Fgure 3. 7 : Résulas analyques e de smulaon pour ULB-RT confguraon à rajes a heq, b PDP ULB RT b 99

102 1.5 heq-smulaon heq-héorque 1.8 PDP-smulaon PDP-héorque.6 heq PDP Temps [ns] a Temps [ns] Fgure 3. 8 : Résulas analyques e de smulaon pour ULB-RT confguraon à 4 rajes a heq, b PDP ULB RT b 1.5 heq-smulaon heq-héorque 1.8 PDP-smulaon PDP-héorque.6 heq PDP Temps [ns] a Temps [ns] Fgure 3. 9 : Résulas analyques e de smulaon pour ULB-RT confguraon à 6 rajes a heq, b PDP ULB RT b 1.5 heq-smulaon heq-héorque 1.8 PDP-smulaon PDP-héorque.6 heq PDP Temps [ns] Temps [ns] a b Fgure 3. 1 : Résulas analyques e de smulaon pour ULB-RT Confguraon à 1 rajes a heq, b PDP ULB RT 1

103 Fgure 3.11, le gan de focalsaon es évalué en foncon du nombre de rajes du canal. La courbe du gan es crossane mas aen une asympoe horzonale après un nombre mporan de rajes une dzane dans ce modéle. En effe, l aénuaon des rajes secondares croî avec ce nombre de rajes e leurs appors en énerge conrbuen de ce fa de mons en mons. Modèle de canal méhode des rayons rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes GF analyque [db] GF smulaon [db] Tableau 3. 4 : Gan de focalsaon méhode des rayons :, 4, 6 e 1 rajes GF [db] Nombre de rajes dans le canal Fgure : GF en foncon du nombre de rajes Les paraméres d enrée présenés précédemmen son conservés pour l évaluaon de la focalsaon spaale avec le même nervalle d éude. Les Fgures 3.1 a, b, c, d présenen, pour les cas respecfs d une confguraon à, 4, 6 e 1 rajes, une éude comparave des PDP ULB-RT du récepeur cble sué à 1 m de l émeeur poson : p e du récepeur nerféren pour une poson p 1 suée à 1 m du récepeur cble e une poson p suée à 1 m du récepeur cble. Dans ous nos cas de fgure, on consae, logquemen, une pere de focalsaon de plus en plus mporane lorque l on s élogne de la poson cble. La valeur de la focalsaon spaale es évaluée pour chaque cas de fgure e représenée au Tableau 3.5 pour un déplacemen du récepeur cble à la poson p 1 e au Tableau 3.6 pour un déplacemen à la poson p. Nous consaons que dans les deux cas de fgure les valeurs 11

104 de la focalsaon spaale augmenen en foncon du nombre de rajes. En effe, en prenan l exemple du premer cas de fgure Tableau 4.5 en passan de la confguraon à rajes où FS = 5.93 db, à la confguraon à 1 rajes, la valeur de la focalsaon spaale croî jusque FS = 9.1 db..5.4 PDP-ULB-RTp, PDP-ULB-RTp 1, PDP-ULB-RTp,.5.4 PDP-ULB-RTp, PDP-ULB-RTp 1, PDP-ULB-RTp, heqp,.3. heqp, Temps [ns] a Temps [ns] b.5.4 PDP-ULB-RTp, PDP-ULB-RTp 1, PDP-ULB-RTp,.5.4 PDP-ULb-RTp, PDP-ULB-RTp 1, PDP-ULB-RTp, heqp,.3. heqp, Temps [ns] c Temps [ns] Fgure 3. 1 : a PDPULB RT p, pour confg. à rajes ; b PDPULB RT p, pour confg. à 4 rajes ; c PDPULB RT p, pour confg. à 6 rajes ; d PDPULB RT p, pour confg. à 1 rajes d Confguraon rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes FS analyque [db] Tableau 3. 5 : Focalsaon spaale lors d un déplacemen de 1 m confguraons à, 4, 6 e 1 rajes Confguraon rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes FS analyque [db]

105 Tableau 3. 6 : Focalsaon spaale lors d un déplacemen de 1 m confguraon à, 4, 6 e 1 rajes L élargssemen de l nervalle d éude perme de mener une éude comparave enre les RIC e PDP du sysème ULB convenonnel e les RIC e PDP équvalens du sysème ULB- RT. Ans, pour chaque ype de confguraon du modèle de canal, la RIC h e la RIC équvalene heq correspondan respecvemen aux sysèmes ULB convenonnel e ULB- RT son présenées Fgures 3.13 [a, b], [c, d], [e, f], [g, h]. Pour ous ces ypes de confguraon nous observons d une par, la focalsaon emporelle sgnfcave des RIC équvalenes, comparée aux RIC du sysème ULB convenonnel e, d aure par, que l amplude des RIC équvalenes, croî en foncon du nombre de rajes du canal. Ces remarques resen valables pour les profls de pussance reard PDP ULB e PDP ULB RT présenés sur les Fgures 3.14 [a, b], [c, d], [e, f], [g, h] correspondan aux sysèmes ULB convenonnel e ULB-RT. h[v] Temps [ns] a.1.5 heq[v] Temps [ns] b h[v] Temps [ns] c heq[v] Temps [ns] d 13

106 h[v] Temps [ns] e heq[v] Temps [ns] f h[v] Temps [ns] g heq[v] Temps [ns] Fgure : a h ; b heq pour la confg. à rajes ; c h ; d heq pour la confg. à 4 rajes ; e h ; f heq pour la confg. à 6 rajes ; g h h heq pour la confg. à 1 rajes. h PDP ULB [V ].6.4 PDP ULB-RT [V ] Temps [ns] Temps[ns] a b 14

107 PDP ULB [V ].6.4 PDP ULB-RT [V ] Temps [ns] Temps[ns] c d PDP ULB [V ].6.4 PDP ULB-RT [V ] Temps [ns] e Temps[ns] f PDP ULB [V ].6.4 PDP ULB-RT [V ] Temps [ns] Temps[ns] g h Fgure : a PDP ULB ; b PDPULB RT pour la confg. à rajes ; c PDP ULB ; d PDPULB RT pour la confg. à 4 rajes ; e PDP ULB ; f PDPULB RT pour la confg. à 6 rajes ; g PDP ULB ; h PDPULB RT pour la confg. à 1 rajes. Pour l éude de la focalsaon spaale FS, nous prenons l exemple de la confguraon à 4 rajes afn de calculer la RIC equvalene heq p, du récepeur cble sué à une poson de référence p correspondan à une dsance de référence d = 1 m enre Tx e Rx Fgure 15

108 3.15a. La RIC équvalene heq p 1, pour une poson p 1 de poson nerférene es auss calculée Fgure 3.15b. Cee poson correspond à une dsance d1 = 1 m enre Tx e Rx. Nous consaons alors une pere de focalsaon de 1.11 db en passan de la poson cble p à la poson nerférene p. Le Tableau 3.7 présene les résulas pour les confguraons 1, 4, 6 e 1 rajes. La focalsaon spaale augmene en foncon du nombre de rajes du canal heqp o, [V].1.5 heqp 1, [V] Temps [ns] Temps [ns] a b Fgure : a heq p, pour d = 1 m ; b heq p, 1 pour d = 1 1 m Confguraon rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes FS smulaon [db] Tableau 3. 7 : Focalsaon spaale lors d un déplacemen de m par rappor à la poson de référence confguraon à, 4, 6 e 1 rajes Pour l évaluaon de FS dans le cas général, nous fasons déplacer le récepeur Rx à parr de la poson cble d = 1 m par pas de.1 m. Pus, une éude comparave de FS es effecuée pour les confguraons à, 3, 4, 6 e 1 rajes Fgures En déplaçan le récepeur cble de par e d aure de la poson de référence, nous consaons une pere de focalsaon de l énerge. En oure e rès logquemen, la sélecvé spaale de la courbe de FS deven de plus en plus fore au fur e à mesure que le nombre de rajes du canal augmene. 16

109 1-1 Confg. à rajes Confg. à 3 rajes Confg. à 4 rajes Confg. à 6 rajes Confg. à 1 rajes - FS [db] Dsance [m] Fgure : FS vs. la dsance Tx-Rx pour les confguraons à, 3, 4, 6 e 1 rajes Le sysème de localsaon ulsé nécesse au mons 3 saons de base émerces en plus de la saon réceprce. Il s avére donc nécessare d évaluer l appor du RT en ermes de dversé spaale. Dans ce sens, nous évaluons dans la secon suvane les caracérsques du RT pour une confguraon mul-anennes Évaluaon des caracérsques du RT dans une confguraon mul-anennes : Mulple Inpu Sngle Oupu MISO Le sysème de localsaon adopé ulse une confguraon MISO ros saons émerces e une saon réceprce qu représene le moble à localser. Il s avère alors nécessare d évaluer l appor du RT pour l ULB dans ce ype de confguraon. Pour ce fare, nous éudons dans cee secon la focalsaon emporelle e spaale du sysème ULB-RT en se basan sur le Power Delay Profle PDP, le gan de focalsaon emporelle GF e le gan de focalsaon spaale FS. L expresson de ces derners es d abord déermnée dans le cas général d une confguraon MISO ulsan N sources en émsson pus, les résulas analyques e de smulaons son présenés pour le cas de e 3 sources d émsson afn d en fare une éude comparave quan à l nfluence du nombre d anennes d émsson présens dans le sysème. L éude du GF e du PDP es effecuée pour les modèles de canaux exploan la méhode des rayons Confguraon à, 4, 6 e 1 rajes e pour le modèle IEEE a. 17

110 A. Cas du modèle à rayons Tou au long des développemens, nous noerons par : s : le sgnal ransms par la éme saon; h : la réponse mpulsonnelle du canal RIC correspondan à la éme saon ; h *- : le conjugué de la RIC reourné correspondan à la éme saon. Les mêmes paramères d enrée ulsés précédemmen son adopés pour la confguraon MISO. En posan l expresson de la réponse mpulsonnelle de la éme anenne : h = m= α m s m 3.7 Où m représene le nombre de rajes du canal, α m l amplude correspondane e m le emps d arrvée des rajes. L expresson générale de la réponse mpulsonnelle équvalene es donnée par l Eq Avec heq MISO N = h h τ + d 3.73 = 1 N le nombre d anennes en émsson En remplaçan l expresson de h dans l Eq. 3.73, on oben : heq MISO N = = 1 m= α s α s τ + N = m α m N = = 1 m= N 1 = 1 m= m m m m d s s + τ m d α Φ 3.74 m s avec Φ s = s m s + τ d m Le PDP es alors donné par : 18

111 PDP N 1 MISO ULB RT = heqmiso = = 1 m= N m α φ 3.75 s De même, GF es obenu en consdéran les pcs de pussance dans le cas de l ULB sans RT PDP MISO e dans le cas de l ULB avec RT PDPULB MISO RT : GF[ db ] = 1Log 1 N N 1 α = 1 m= N α = 1 m 3.76 Avec les mêmes paramères d enrée que ceux ulsés précédemmen, nous avons effecué l éude pour une confguraon MISO x 1 sources d émsson e une saon réceprce e MISO 3 x 1 3 sources d émsson e une saon réceprce. Les Fgures 3.17 a, b, c e d e 3.18 a, b, c e d llusren, respecvemen, les PDP ULB-RT des confguraons MISO x1e MISO 3x1 confguraons à, 4, 6 e 1 rajes. Nous remarquons que l amplude des PDP croî en foncon du nombre de rajes ans qu en foncon du nombre d anennes ulsées en émsson. En effe le pc de pussance obenu dans le cas du MISO x 1 es de.41 [V ] pour la confguraon à rajes, l passe à.17 [V ] dans la confguraon à 1 rajes. Pour ces mêmes confguraons, dans le cas du MISO 3 x 1, les valeurs respecves du pc de PDP son de.8 [V ] e.45 [V ]. Les Tableaux 3.8 e 3.9 représenen respecvemen les gans de focalsaon pour les cas MISO x 1 e MISO 3 x 1 évalués dans les modèles de canaux à, 4, 6 e 1 rajes. Nous remarquons que le gan de focalsaon augmene en foncon de la complexé du canal e en foncon du nombre de source d émsson. En effe, en passan de à 1 rajes, le gan de focalsaon évolue de 6.3 db 5.96 db en analyque à 1.63 db 1.54 db en analyque dans le cas de la confguraon MISO x 1 e de 9.1 db 9.17 db en analyque à db db en analyque dans le cas de la confguraon MISO 3 x 1. 19

112 PDP= heq ².1 PDP= heq ² Temps [ns] a Temps [ns] b PDP= heq ².1 PDP= heq ² Temps [ns] a Temps [ns] Fgure : PDP ULB-RT confg. MISO x 1, a confg. à rajes, b confg. à 4 rajes, c confg. à 6 rajes, d confg. à 1 rajes b PDP= heq ².3. PDP= heq ² Temps [ns] a Temps [ns] b 11

113 PDP= heq ².3. PDP= heq ² Temps [ns] Temps [ns] c d Fgure : PDP ULB-RT confg. MISO 3 x 1, a confg. à rajes, b confg. à 4 rajes, c confg. à 6 rajes, d confg. à 1 rajes Modèle à rayons rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes GF analyque [db] GF smulaon [db] Tableau 3. 8 : GF cas MISO x 1 pour les confguraons à, 4, 6 e 1 rajes éudes analyques e smulaons Modèle à rayons rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes GF analyque [db] GF smulaon [db] Tableau 3. 9 : GF cas MISO 3 x 1 pour les confguraons à, 4, 6 e 1 rajes Pour évaluer les performances en ermes de focalsaon spaale, la confguraon à 4 rajes qu a éé applquée dans le cas du modèle SISO a éé adapée au modèle MISO x 1. Nous avons alors évalué, la RIC équvalene heq p, du récepeur cble sué à la poson de référence p correspondan respecvemen aux dsances d,1 = 1 m e d, = 15 m enre Tx 1 -Rx e Tx -Rx. Pus, la RIC équvalene heq p 1, pour la poson nerférene p 1. Cee poson correspond respecvemen aux dsances d1,1 = 11 m e d1, = 13 m enre Tx 1 -Rx e Tx -Rx. Les Fgure 3.19a e 3.19b représenen respecvemen heq p, e heq p, 1. Nous consaons une pere de focalsaon de db en passan de la poson cble p à la poson nerférene p 1. En comparan la focalsaon spaale obenue avec une seule source émerce SISO FS à celle obenue avec deux sources émerces MISO x 1, [ db] = 111

114 e en s appuyan sur les résulas obenus dans le cas général des confguraons à, 4, 6 e 1 rajes présené au Tableau 3.1, nous pouvons confrmer que la focalsaon spaale profe égalemen de la complexé du canal e de l augmenaon du nombre de sources émerces, ou comme la focalsaon emporelle heqp o, [V]..1 heqp 1, [V] Temps [ns] Temps [ns] a b Fgure : a heq p, à la poson p ; b heq p 1, à la poson p 1 confg. MISO x1, à 4 rajes Modèle à rayon rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes FS [db] Tableau 3. 1 : Focalsaon spaale pour un déplacemen de p à p 1 confguraon à, 4, 6 e 1 rajes, cas MISO x 1 B. Cas du modèle IEEE a Pour le cas du modèle IEEE a, les valeurs caracérsques du modèle de Nakagam-m on éé explorées en enan compe du nombre d anennes L expresson de la RIC équvalene es donnée par l Eq : heq MISO N. N = E heq 3.76 = 1 avec heq = α msm τ m sm τ + m dτ = d où A m heq MISO N = E α msm τ m sm τ + m dτ A = 1 m= 11

115 E N = N = = 1 m= E = 1 m= avec Φ' = s τ s τ + dτ s A α m Φ' en exploan l Eq 3.5 e 3.6, l exprésson de heq MISO deven : heq MISO s α m Φ' s 3.77 N = E Φ' 3.78 g = 1 Le PDP correspondan PDP MISO ULB RT es donné par : PDP s { heq } MISO RT E 3.79 MISO ULB = Après développemen, l Eq deven : PDP MISO ULB RT N = g EgΦ' s + * 1 + ΨΦ ' s = 1 τ rms E c 1 exp / τ rms Φ' s m' λ 3.79 bs avec, c1 Ψ Φ ' = φs ξ + φs ξ dξdτ, où Ψ es l auocorrélaon normalsée de s A' Φ ' 1 s Ψ Φ ' s = Φ' s Le gan de focalsaon correspondan es donné par l Eq GF[ ] = 1Log db 1 E N g = 1 τ rms N + c 1 + c 3.8 avec 1 1 c = 1 + où m ' représene la valeur m de Nakagam. m' λ Les valeurs obenues sur l évaluaon du gan de focalsaon en résoluon analyque e en smulaon pour les confguraons MISO x1 e MISO 3x1 son respecvemen représenées Tableaux 3.11 e 3.1. Ces valeurs corresponden aux modéles CM1, CM e CM3. Les mêmes consas effecués dans le cas du modèle à rayons se rerouven avec le modèle IEEE a. En effe, en prenan l exemple de la confguraon MISO 3x1, GF es passé de 113

116 14.56 db pour le modèle CM1 à.1 db pour le modèle CM3. Le gan de focalsaon éan plus mporan dans la confguraon MISO 3x1 comparé aux confguraons SISO ou MISO x1. Modèle IEEE a CM1 CM CM3 GF analyque [db] GF smulaon [db] Tableau : GF obenu en analyque e en smulaon cas du MISO x1 modèle IEEE a Modèle IEEE a CM1 CM CM3 GF analyque [db] GF smulaon [db] Tableau 3. 1 : GF obenu dans l éude héorque e en smulaon cas du MISO 3x1 modèle IEEE a Nous avons évalué dans cee premère pare du chapre, les performances apporées par le reournemen emporel exprmées noammen en ermes de focalsaon emporelle e de focalsaon spaale. Les résulas obenus monren que, grâce à ses propréés de focalsaon emporelle e spaale, le reournemen emporel peu représener un aou majeur pour cerans sysèmes ULB. Nous verrons dans la pare suvane, l appor du RT en ce qu concerne les sysèmes de localsaon ULB. Nous menons dans ce bu une éude comparave en ermes de précson de localsaon, enre un sysème de localsaon ULB convenonnel e un sysème de localsaon assocan ULB e RT Évaluaon des performances des sysèmes de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT Pour évaluer de façon comparave les performances des sysèmes de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT en ermes de précson de localsaon, nous avons modélsé les sysèmes sous MATLAB TM, en effecuan l éude dans le cas du modèle de canal exploan la méhode des rayons ans que dans celu du modèle de canal IEEE a présenés précédemmen. L objecf consse cee fos à évaluer la conrbuon du RT sur le sysème de localsaon ULB, à nouveau en foncon de la complexé du canal. Dans cee secon, nous décrvons d abord le dsposf adopé en smulaon pus, les prncpales évaluaons ans que les résulas de smulaon seron présenés. 114

117 Prncpes e dsposfs en smulaon A l ade de ros saons de base, nous déermnons la poson d un moble dans un plan D. Pour localser le moble, chaque saon de base envoe son sgnal propre. Le sysème de localsaon ULB / ULB-RT éudé se fonde sur deux echnques. La premère echnque ULB / DS-CDMA ulse les codes de Gold. Les codes de Gold son ulsés pour leurs bonnes propréés d orhogonalé. Ils son éms par le généraeur pour dfférencer les sgnaux provenan des dfférenes saons de base. Ces codes générés son ensue modulés sous forme d'un ran d'mpulsons mono pulses de la seconde dérvée gaussenne ou monocycle avec une modulaon BPSK. La seconde echnque ULB / Gegenbaueur es basée sur les foncons modfées de Gegenbauer. Pour cela, un ordre de foncon modfée de Gegenbauer es arbué à chaque saon de base. L éape de codage de l nformaon ne sera pas nécessare dans ce cas pour denfer les saons de base les unes des aures. En effe, chaque forme d onde éan dfférene, l sera asé de rerouver de quelle saon de base proven le sgnal reçu lors de la récepon à l ade une smple corrélaon. Le sgnal modulé dans le cas de l ULB / DS-CDMA es njecé dans le canal de propagaon sgnal préalablemen enregsré e renversé dans le emps dans le cas de l ULB-RT. A la récepon, le sgnal reçu es corrélé avec un sgnal de référence. Par la sue, une uné de raemen basée sur la echnque TDOA, combnée à l algorhme de Chan vor chapre es ulsée pour calculer la poson du moble. Les Fgures 3. e 3.1 présenen respecvemen une llusraon du prncpe des sysèmes de localsaon ULB / ULB-RT/DS - CDMA e ULB / ULB RT / Gegenbaeur ulsés. Fgure 3. : Prncpe du sysème de localsaon ULB/ULB-RT exploan la echnque DS- CDMA 115

118 Fgure 3. 1 : Prncpe du sysème de localsaon ULB/ULB-RT exploan la echnque des foncons modfées de Gegenbauer L'erreur de posonnemen es donnée par la dfférence enre la poson calculée e la poson réelle du moble. L évaluaon de cee erreur es effecuée sur les modèles de canaux IEEE a CM1, CM e CM3, d une par e, d aure par, sur le modèle ulsan la méhode des rayons avec les confguraons à, 4, 6, 1 rajes. Un bru blanc addf gaussen AWGN es égalemen superposé au canal Éude comparave des performances des sysèmes de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT Pour l éude comparave enre le sysème ULB convenonnel e le sysème ULB-RT, nous ulsons, dans un premer emps, le cas de l ULB convenonnel sans RT pour localser le moble pus, l nformaon de localsaon obenue sur la poson du moble es ulsée comme référence pour le sysème ULB-RT. La comparason es basée sur le calcul de l Erreur Quadraque Moyenne sur la précson de localsaon où RMSE : Roo Mean Square Error en anglas enre les deux sysèmes. Les coordonnées séleconnées des saons émerces e de la poson vrae du récepeur son présenées Tableau Poson sur l axe des x m Poson sur l axe des y m Saon 1 8 Saon Saon 3 8 Récepeur 6 5 Tableau : Coordonnées des saons de bases 116

119 A. Cas du modèle ulsan la méhode des rayons Pour ce modèle, nous consdérons d abord la confguraon à 1 rajes avec superposon d un canal à bru blanc addf gaussen AWGN. Dans ce cas parculer, ros saons de bases émeen leur sgnaux renversés dans le cas de l ULB-RT. Après récepon e raemen au nveau du récepeur, la poson esmée es comparée à la poson réelle du récepeur moble à localser pour déermner l erreur de précson. La Fgure 3. présene le résula de l éude comparave enre les deux sysèmes. Dans ce cas de fgure, où un SNR de 8 db es ulsé, nous obenons une melleure précson de localsaon avec le sysème ULB-RT RMSE = 1.5 cm comparée au sysème ULB convenonnel RMSE = 13. cm. Fgure 3. : Eude comparave poran sur l erreur de précson enre les sysèmes ULB e ULB-RT cas de la confguraon à 1 rajes Pour confrmer ces résulas, nous avons répéé cee opéraon pour les confguraons à, 6 e 1 rajes. Un nombre mporan d éraons es effecué éraons pus, le RMSE es calculé. Le Tableau 3.14 présene les résulas des smulaons. On remarque à nouveau que le sysème ULB-RT procure de melleures performances. En effe dans le cas éudé, l erreur sur la précson es de 13 cm pour le sysème ULB convenonnel, elle n es plus que de 1.38 cm pour le sysème ULB-RT smulé. Ces résulas prélmnares monren que dans ce modèle D, l assocaon des echnques ULB e RT perme d obenr, dans ces condons déales de smulaon, une localsaon rès précse en accord avec le nveau de précson décmérque requs pour une applcaon en envronnemen ferrovare. 117

120 Modèle à rayons GF [db] RMSE ULB [cm] RMSE ULB-RT [cm] rajes rajes rajes Tableau : Eude comparave enre le sysème ULB convenonnel e le sysème ULB-RT en ermes de gan de focalsaon e d erreur de localsaon confg. à, 6, 1 rajes ; SNR = 8 db La RMSE es ensue évaluée en foncon du SNR pour les confguraons à, 6 e 1 rajes. Les résulas son présenés Fgure 3.3. Ceux obenus pour le sysème ULB convenonnel pus avec le sysème ULB-RT avec les confguraons à, 6 e 1 rajes monren un avanage sgnfcaf pour les sysèmes ULB-RT. Nous noons que an que SNR > db, l'erreur de localsaon rese lmée. Fgure 3. 3 : Comparason ULB/ULB-RT, RMSE Vs SNR pour les confguraons à, 6 e 1 rajes B. Cas du modèle IEEE a Ce prncpe d éude es applqué au modèle IEEE a. Le modèle de canal consue le seul élémen modfé. Afn d effecuer une éude comparave, l erreur sur la précson de localsaon es à nouveau évaluée dans le cas du sysème ULB convenonnel pus dans le cas du sysème ULB-RT afn d effecuer une éude comparave. Fgure 3.4, les résulas poran sur l évaluaon de l erreur de précson pour la localsaon d un moble récepeur ulsan 3 sources son présenés. Le cas parculer du modèle de canal CM3 es exploé en superposan un canal à bru blanc addf gaussen avec un SNR de 8 db. Une fos de plus, le sysème ULB-RT procure une melleure précson avec une erreur de.67 cm comparée au sysème ULB convenonnel qu présene une erreur de 17.4 cm. 118

121 Fgure 3. 4 : Eude comparave de l erreur de précson enre les sysèmes ULB e ULB-RT cas du modèle de canal CM3 Ces résulas, son confrmés par une éude générale menée avec les modèles de canal CM1, CM e CM3. Dans ces cas, 5 rages son effecués sur chaque modèle de canal. La RMSE es ensue déermnée pour le sysème ULB convenonnel e le sysème ULB-RT afn de comparer les résulas obenus. Le Tableau 3.15 présene l éude comparave enre les deux sysèmes ; les résulas sur l évaluaon du gan de focalsaon e de la RMSE son présenés pour un SNR de 8 db. Nous observons à nouveau, que l assocaon de l ULB au RT rédu consdérablemen l erreur de localsaon. En effe, dans le cas général raé pour le modèle CM3, l erreur de localsaon es de 16.9 cm pour le sysème ULB convenonnel, elle n es que de.1 cm pour le sysème ULB-RT. Cee remarque es auss valable pour les modèles de canal CM1 e CM. GF [db] RMSE [cm] pour le sysème ULB convenonnel RMSE [cm] pour le sysème ULB-RT CM CM CM Tableau : Eude comparave enre le sysème ULB convenonnel e le sysème ULB-RT en ermes de gan de focalsaon e d erreur de localsaon modèle de canal CM1, CM e CM3 ; SNR=8 db La RMSE es auss évaluée en foncon du SNR pour les ros modèles de canal. La Fgure 3.5 présene les résulas. Ces derners confrmen ceux obenus précédemmen. En effe pour oues les valeurs de SNR envsagées, la RMSE correspondan au sysème ULB-RT es plus fable que celle du sysème ULB convenonnel. Par alleurs, l écar enre les courbes correspondan aux modèles CM1, CM e CM3 es plus large dans le cas du sysème ULB convenonnel. 119

122 Fgure 3. 5 : Comparason ULB/ULB-RT, RMSE Vs SNR pour les modèles de canal CM1, CM e CM Impac de la forme d onde La forme d onde éan drecemen relée au specre d émsson, l para mporan d évaluer son mpac sur la précson de localsaon. Nous avons soulgné précédemmen que des recherches on monré que les foncons des polynômes de Gegenbauer son auss des canddas poenels pour les applcaons de localsaon ULB. Afn de vérfer cec sur le sysème ULB-RT proposé, nous menons une éude comparave enre les formes d ondes monocycles, la seconde dérvée gaussenne e les polynômes de Gegenbauer en ermes de focalsaon emporelle gan de focalsaon e de précson sur la localsaon. Le gan de focalsaon GF e la RMSE son évalués en ulsan le modèle de canal à 1 rajes e le modèle CM3. Les paramères de smulaon son présenés au Tableau Formes d onde SNR Confguraon Porée Monocycle 8 db SISO, MISO 3 x 1 nde dérvée Gaussenne 8 db SISO, MISO 3 x 1 Gegenbauer 8 db SISO, MISO 3 x 1 Tableau : Paramères de smulaons Les résulas obenus sur l évaluaon de GF e de FS pour les formes d ondes monocycle e Gegenbauer d ordre son respecvemen représenés aux Tableaux 3.17 e 3.18 pour le modèle à rayons e aux Tableaux 3.19 e 3. pour le modèle IEEE a. Ces résulas corresponden à la confguraon SISO. 1 m 1 m 1 m 1

123 Modèle à rayons rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes GF [db] FS [db] Tableau : GF e FS pour le monocycle cas du modèle à rayon Modèle IEEE a CM1 CM CM3 GF [db] Tableau : GF pour le monocycle cas du modèle IEEE a Modèle à rayons rajes 4 rajes 6 rajes 1 rajes GF [db] FS [db] Tableau : GF e FS pour la foncon de Gegenbauer cas du modèle à rayon Modèle IEEE a CM1 CM CM3 GF [db] Tableau 3. : GF pour la foncon de Gegenbauer cas du modèle IEEE a En comparan les valeurs obenues de GF e FS pour les formes d ondes monocycles e celles générés par les polynômes de Gegenbauer, nous consaons un léger avanage, pouvan aendre.5 db, au prof de la forme d onde ssue des polynômes de Gegenbauer. Il semble qu une melleure concenraon de l énerge dans le lobe prncpal de l mpulson pusse explquer ce léger gan. Par alleurs, le même consa qu effecué précédemmen, à savor l augmenaon de GF e FS en foncon de la complexé du canal, rese valde pour oues les formes d ondes consdérées. Nous avons ensue exploé les confguraons MISO 3x1. Les résulas obenus sur le gan de focalsaon Tableau 3.1 monren que la focalsaon emporelle dépend légèremen des formes d ondes ulsées. En effe, la dfférence sur les valeurs de GF enre la seconde dérvée Gaussenne, le monocycle e les polynômes de Gegenbauer es de l ordre de db pour le modèle à 1 rajes e 3 db pour le modèle CM3, la seconde dérvée gaussenne présenan le gan de focalsaon le plus élevé avec 1 db. Ces remarques resen valables an pour le modèle exploan la méhode des rayons que pour le modèle de canal IEEE a. Formes d onde nde dérvée Gaussenne Monocycle Gegenbauer GF [db] modèle à 1 rajes GF [db] modèle CM Tableau 3. 1 : Impac de la forme d onde sur le gan de focalsaon 11

124 Afn de vérfer l mpac du chox de la forme d onde sur la précson du sysème de localsaon, nous déermnons manenan l erreur de posonnemen en localsaon RMSE en foncon du SNR pour les formes d ondes monocycles e de Gegenbauer. Les mêmes prncpes de localsaon qu adopés précédemmen son applqués. Les résulas de smulaon son respecvemen présenés Fgures 3.6a e 3.6b pour le monocycle dans le cas du modèle à rayons e 6 rajes pus, dans le cas du modèle IEEE a CM1 e CM. Ceux correspondan aux formes d ondes ssues des foncons de Gegenbauer son présenés Fgures 3.7a e 3.7b. Comme nous l aendons, sur l ensemble des résulas, nous consaons que le sysème ULB-RT offre de melleures performances de localsaon comparées au sysème ULB convenonnel. 3 5 ULB sans RT rajes ULB-RT rajes ULB sans RT 6 rajes ULB-RT 6 rajes 3 5 CM1-ULB sans RT CM1-ULB-RT CM-ULB sans RT CM-ULB-RT RMSE [cm] 15 1 RMSE [cm] SNR [db] SNR [db] a b Fgure 3. 6 : Comparason ULB/ULB-RT, RMSE vs SNR ; a pour le modèle à rayon avec e 6 rajes, b pour le modèle IEEE a CM1 e CM forme d onde monocycle 3 5 ULB sans RT rajes ULB-RT rajes ULB sans RT 6 rajes ULB-RT 6 rajes 3 5 CM1-ULB sans RT CM1-ULB-RT CM-ULB sans RT CM-ULB-RT RMSE [cm] 15 1 RMSE [cm] SNR [db] SNR [db] a b Fgure 3. 7 : Comparason ULB/ULB-RT, RMSE vs SNR ; a pour le modèle à rayon avec e 6 rajes, b pour le modèle IEEE a CM1 e CM foncon de Gegenbauer Les Fgure 3.8 e 3.9 présenen, selon les deux modèles envsagés, les résulas sur l évaluaon du RMSE en foncon du SNR pour les ros ypes de formes d ondes éudés avec le sysème ULB convenonnel e le sysème ULB-RT. Nous consaons que pour le 1

125 sysème ULB convenonnel, les performances en ermes de précson de localsaon son égalemen melleures en ulsan les formes d ondes de Gegenbauer, cec es dû noammen à la bonne orhogonalé des sgnaux générés. Dans le cas du sysème ULB-RT, oue l énerge de la seconde dérvée gaussenne es concenrée dans le lobe prncpal, cec explque probablemen en grande pare le gan de focalsaon plus mporan obenu, comparé aux formes d ondes monocycle e ssues des polynômes de Gegenbauer. Une évoluon de même naure se rerouve lors de l évaluaon de l erreur de posonnemen. Pour les deux sysèmes ULB convenonnel e ULB-RT, la forme d onde monocycle présene ans le plus fable nveau de performance. Fgure 3. 8 : Impac de la forme d onde sur le RMSE Méhode des rayons - 1 rajes Fgure 3. 9 : Impac de la forme d onde sur le RMSE Modèle IEEE a CM3 13

126 Impac de la fréquence d échanllonnage Afn d évaluer l mpac de la fréquence d échanllonnage sur la précson de localsaon du sysème ULB-RT, nous avons évalué le RMSE assocé à l erreur de localsaon pour des valeurs de fréquence d échanllonnage de 1Gs/s, Gs/s, 3 Gs/s, 4 Gs/s e 5 Gs/s de nos sgnaux reçus. Les modèles de canaux consdérés son le modèle exploan la méhode des rayons, 6, 1 rajes ans que les modèles CM1, CM e CM3 de l IEEE a. Les Fgures 3.3a e 3.3b présenen respecvemen les résulas obenus pour ces deux modèles. Nous remarquons, d une par, que plus la fréquence d échanllonnage augmene, melleure es la précson de localsaon. D aure par, avec ce sysème ULB-RT, nous obenons de bons résulas en ermes de précson dès que le seul de 1 Gs/s es franch. En effe, en prenan l exemple du modèle à 1 rajes, à 1 Gs/s, l erreur sur la précson es de 4.53 cm, elle passe à 1. cm à 5 Gs/s. Ces résulas son à mere en perspecve avec la rès fable largeur des mpulsons employées. Ben que l erreur de localsaon s amélore avec la fréquence d échanllonnage, un comproms es nécessare à éablr prenan en compe la leneur e la lourdeur du calcul ans que le coû acuel de l équpemen assocé rajes 6 rajes 1 rajes 6 5 CM1 CM CM3 RMSE en cm RMSE en cm Gs/s Gs/s 3 Gs/s 4 Gs/s 5 Gs/s a Gs/s Gs/s 3 Gs/s 4 Gs/s 5 Gs/s Fgure 3. 3 : Impac de la fréquence d échanllonnage sur le RMSE ; a Méhode des rayons avec 6 e 1 rajes, b modèle CM1, CM e CM3 ; SNR = 8 db b Impac de l erreur de désynchronsaon Tmng jer Le jer es un paramère lé à la fréquence d échanllonnage ou à la fréquence d horloge du sysème. Il es consdéré comme une source d erreur lée à une laence déermnse ou aléaore nrodue par les mperfecons echnologques. Le jer es le paramère le plus crque pour la phase de synchronsaon car l affece la corrélaon des sgnaux au nveau du récepeur e, par conséquen la capacé de localsaon, noammen celle basée sur la 14

127 echnologe ULB. En effe, les sysèmes mpulsonnels ULB ulsen des mpulsons ulracoures e son donc vulnérables au phénomène du jer. Il es donc néressan de mesurer son mpac sur la précson de localsaon des sysèmes ULB convenonnel e ULB-RT afn de déermner la valeur de jer olérable en praque pour les sources d émsson Descrpon du modèle Pour la descrpon du modèle prenan en compe le jer, nous consdérons l expresson de la forme d onde de la seconde dérvée gaussenne décre dans la sous-secon : s π d w = [1 4 ] e d π 3.81 w En consdéran l nervalle d échanllonnage s, les échanllons reçus e raés son donnés par l Eq. 3.8 le bru addf éan gnoré. s n s + ε n s + ε π d w n s + = [1 4π ] e ε 3.8 w Où ε représenen le emps de désynchronsaon mng jer e n la fréquence d échanllonnage. Ce jer peu êre modélsé el un processus gaussen saonnare avec une moyenne nulle e une varance σ j donnée par : d T σ j 1 p T;, σ j = e 3.83 πσ j Conséquence de l erreur de désynchronsaon sur les sysèmes de localsaon ULB e ULB-RT L effe du jer sur un sysème rado mpulsonnel dépend du ype de modulaon ulsé. Cependan un effe sous-jacen es que le jer déforme la propréé de corrélaon du sgnal de base d où l effe de «bru de désynchronsaon». Pour évaluer l mpac du jer sur le sysème de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT, nous avons consdéré les mêmes paramères de smulaons que présenés précédemmen en nrodusan le jer va l expresson Eq Pour le cas du sysème ULB-RT, le jer aura cependan un double mpac car le sgnal es d abord éms en enan compe du jer dans cee premère phase, pus enregsré, reourné dans le emps e rééms. L écar ype du jer vare généralemen de 1 à 15 ps dans les récepeur ULB. Nous avons consdéré les valeurs du jer en foncon de la largeur de l mpulson L g =.5 ns Tableau 3. 15

128 Proporonnalé sur la largeur d mpulson / 15 L L / 3 L / 1 Ecar-ype du jer ps Tableau 3. : Valeurs du jer en foncon de la largeur d mpulson La smulaon es effecuée en ulsan le modèle de canal ulsan la méhode des rayons confguraon à 1 rajes e le modèle de canal IEEE a CM3. Nous évaluons la RMSE en foncon du SNR pour les dfférenes valeurs du jer dans le cas du sysème ULB convenonnel ans que dans le cas du sysème ULB-RT. Les Fgures 3.31 e 3.3 fournssen respecvemen les résulas obenus avec le modèle exploan la méhode des rayons e le modèle IEEE a. Dans ous les cas de fgure raés, le jer possède une nfluence non-néglgeable sur les performances des deux sysèmes. En effe, l erreur de localsaon augmene avec celu-c. Nous devrons donc en enr compe dans le cas d une mplémenaon du dsposf. Par alleurs, en comparan l effe du jer sur nos deux sysèmes, nous consaons que pour les valeurs consdérées e en dép du double mpac sur le sysème ULB-RT, ce derner présene oujours de melleurs résulas en ermes d erreur de posonnemen, comparé au sysème ULB convenonnel. g g g sans jer ULB sans RT sans jer ULB-RT Jer=Lg/15 ULB sans RT Jer=Lg/15 ULB-RT Jer=Lg/3 ULB sans RT Jer=Lg/3 ULB-RT Jer=Lg/1 ULB sans RT Jer=Lg/1 ULB sans RT R M SE [cm ] SNR [db] Fgure : Impac du jer sur le sysème de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT; cas du modèle exploan la méhode des rayons ; confguraon à 1 rajes 16

129 6 5 4 sans jer ULB sans RT sans jer ULB-RT Jer=Lg/15 ULB sans RT Jer=Lg/15 ULB-RT Jer=Lg/3 ULB sans RT Jer=Lg/3 ULB-RT Jer=Lg/1 ULB sansrt Jer=Lg/1 ULB-RT RMSE [cm] SNR [db] Fgure 3. 3 : Impac du jer sur le sysème de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT; cas du modèle IEEE a ; CM Concluson Nous avons enamé ce chapre par l éude des propréés du reournemen emporel au moyen des paramères de focalsaon emporelle e de focalsaon spaale. Son appor à l ULB en ulsan les modèles de canaux basés sur une approche déermnse fondée sur la méhode des rayons e les modèles IEEE a a éé examné. Les résulas obenus à la sue de cee éude on monré que le RT perme une focalsaon spao-emporelle effecve de l énerge. Nous avons monré par alleurs que la complexé du canal e la mulplcé des sources émerces représenen un aou pour le RT. En effe, plus le canal deven complexe melleure es la focalsaon. De la même façon, plus le nombre de sources émerces augmene, melleure es égalemen la focalsaon. Nous avons par la sue effecué une éude comparave enre le sysème ULB convenonnel e le sysème ULB-RT en ermes d erreur sur la précson en localsaon. Pour ce fare, nous avons prs en consdéraon pluseurs paramères els que la forme d onde, la fréquence d échanllonnage ou encore la désynchronsaon des sources. Les résulas de smulaon obenus on monré que pour ous les cas de fgure éudés e pour ous les modèles de canaux ulsés, le sysème ULB-RT offre de melleures performances en ermes de précson en localsaon. 17

130 La conrbuon majeure dans ce chapre es d avor proposé une soluon assocaon de l ULB au RT permean d amélorer les performances des sysèmes de localsaon ULB ou en rédusan la lourdeur des raemens au nveau du récepeur. Dans un derner chapre nous abordons la phase de valdaon des résulas héorques e de smulaon en procédan à des ess expérmenaux menés en chambre anéchoïque e en envronnemen ndoor. 18

131 Chapre 4 : Valdaon expérmenale du sysème de localsaon ULB-RT 19

132 4. 1 Inroducon Après avor présené dans le chapre 3 l ensemble des résulas héorques e de smulaon poran sur l évaluaon des caracérsques du RT e son appor à l ULB pour la localsaon, nous développons dans ce quarème chapre la pare expérmenale de nore raval de hèse. Cee pare expérmenale possède pour objecf prncpal de valder les résulas obenus en héore e en smulaon. Pour ce fare, nous décrvons d abord le dsposf expérmenal ms en œuvre e l ensemble des élémens d expérmenaon. Pus, dans une deuxème pare du chapre, nous présenons le prncpe d expérmenaon e les résulas obenus sur l évaluaon des caracérsques du RT. La dernère pare du chapre es consacrée au prncpe d expérmenaon e aux résulas obenus concernan l évaluaon des performances du sysème de localsaon ULB-RT. 4. Dsposf e paramères d expérmenaon Une descrpon générale du dsposf expérmenal es effecuée dans cee secon en présenan l envronnemen de ess e les prncpaux ouls nécessares à l expérmenaon Descrpon générale Nous avons consdéré deux ypes d envronnemen : un envronnemen de ype ndoor e un envronnemen de ype chambre anéchoïque. Ces envronnemens seron décrs plus précsémen dans la secon suvane. Dans chaque ype d envronnemen, dfférenes confguraons géomérques, poran sur le ype de ransmsson ulsé SISO ou MIMO, sur la naure des objes agssan sur l envronnemen, mas auss sur le posonnemen des anennes son adopées. Dfférens jeux de paramères son ms en œuvre afn de vérfer l mpac du canal sur les performances du sysème de localsaon ULB-RT. La Fgure 4.1 présene un exemple de dsposf expérmenal ndoor el qu ulsé, les prncpaux élémens le consuan son décrs dans la secon suvane. 4.. Envronnemen de ype chambre anéchoïque La chambre anéchoïque ulsée es celle du laboraore IEMN-TELICE Télécommuncaon, Inerférences e Compablé Elecromagnéque de l Unversé de Llle 1. Cee chambre anéchoïque es de dmenson 7 x 7 x 3 m, elle es opéraonnelle de 1 MHz à 1 GHz. 13

133 . Une confguraon en SISO composée d une anenne en émsson e d une anenne en récepon ;. Une confguraon en MISO x1 composée de deux anennes en émsson e d une anenne en récepon ;. Une confguraon en MISO 3x1 composée de ros anennes en émsson e d une anenne en récepon. Pour chaque ype de confguraon, cnq cas de fgure son consdérés : - Premer cas de fgure : l envronnemen de ype chambre anéchoïque es consdéré el quel, sans ajou de réfleceurs méallques passfs parculer ; - Deuxème cas de fgure : une plaque méallque es nrodue en guse de réfleceur enre émeeurs e récepeur afn de générer de premers mulrajes ; - Trosème cas de fgure : deux plaques réflecrces son nrodues afn d augmener le nombre de réflexon des sgnaux ; - Quarème cas de fgure : ros plaques son nrodues, afn d augmener à nouveau le nombre de réflexons dans l envronnemen ; - Cnquème cas de fgure : 4 plaques son présenes dans l envronnemen de propagaon. Fgure 4. 1 : Exemple de mse en œuvre du dsposf expérmenal 131

134 Les Fgure 4. e 4.3 llusren respecvemen un exemple pour le rosème e le cnquème cas de fgure. L objecf de ce paramérage es d évaluer l mpac de la complexé de l envronnemen sur les performances assocées en ermes de focalsaon emporelle/spaale e de l erreur de posonnemen. Fgure 4. : Mse en œuvre du cas de Fgure 3 présence de deux plaques réflecrces en confguraon SISO Fgure 4. 3 : Mse en œuvre du cas de Fgure 4 présence de quare plaques réflecrces en confguraon SISO 13

135 4.. 3 Envronnemen ndoor L envronnemen ndoor consdéré es le laboraore Rado Fréquence RF de l IFSTTAR/LEOST. L envronnemen conen un ensemble mporan d objes de géoméres e naures complexes source de nombreux mulrajes dans ce laboraore. Des confguraons SISO, MISO x1 e MISO 3x1 son adopées pour ce ype d envronnemen. La Fgure 4.4 représene l envronnemen ndoor chos, avec un exemple de confguraon MISO 3x1. Fgure 4. 4 : Envronnemen ndoor Laboraore RF de l IFSTTAR/LEOST Pare émsson Les élémens consuan la pare émsson du dsposf expérmenal présené nalemen Fgure 4.1 son un généraeur d mpulsons ulra brèves qu délvre les sgnaux poran les formes d onde requses vers les anennes d émsson, les lasons coaxales e les anennes assocées Le généraeur d mpulson Nous ulsons un généraeur de formes d ondes arbrares Tekronx AWG 71C. Ce derner perme de générer des formes d ondes Ulra Large Bande mpulsons Gaussennes, mpulsons de Gegenbauer ec. couvran la gamme ULB 3.1 GHz 1.6 GHz e au-delà, ce fasan, ben adapé à nore applcaon. La fréquence d échanllonnage ulsé es de 1 Gs/s. 133

136 Les anennes émerces Pour la pare émsson, nous ulsons une anenne ype corne double rdge Fgure 4.1. Ce ype d anenne es drecf, l anenne parculère employée présene une bande passane comprse enre 7 MHz e 18 GHz, une adapaon correce dans oue la bande e procure une drecvé mporane, son gan vare enre 15 e 18 db dans la bande ulsée Pare récepon La pare récepon es composée d une anenne réceprce relée à un osclloscope numérque au moyen de câbles à conneceurs N/SMA Anenne réceprce En confguraon SISO, l es possble d ulser l anenne corne double rdge en récepon. En confguraon MISO, nous ulsons une anenne monopôle en récepon représenée Fgure 4.5. Cee dernère présene la parcularé d êre smple à réalser e offre une bande passane mporane. Elle es consuée d une plaque méallque placée perpendcularemen à un plan de masse. Elle es almenée par l nermédare d un conneceur coaxal. Cee anenne possède une bande d adapaon de.89 à 11 GHz à -1 db. Fgure 4. 5 : Anenne réceprce de ype monopôle omndreconnelle L osclloscope L osclloscope ulsé pour l acquson des sgnaux es de marque Tekronx TDS614C. Il possède pour caracérsques prncpales une bande passane de 1 GHz, une sensblé comprse enre 1 mv e 1 V e une fréquence d échanllonnage de 4 Gs/s. Un amplfcaeur avec un gan supéreur de 15 db e une bande passane comprs enre e 8 GHz es placé avan la voe d enrée de l osclloscope. Nous présenons dans la secon suvane les résulas d expérmenaon en présenan d une par, les prncpes de mesure ulsées pour l évaluaon expérmenale des 134

137 caracérsques du RT e, d aure par, l évaluaon des performances du sysème de localsaon ULB-RT séleconné Résulas d expérmenaons Valdaon des caracérsques du RT Pour valder les résulas héorques e de smulaon poran sur l évaluaon des caracérsques du RT en ermes de focalsaon emporelle e de focalsaon spaale, nous avons consdéré nalemen l envronnemen de ype chambre anéchoïque. Des mesures expérmenales y son effecuées avec dfférens paramérages Envronnemen de ype chambre anéchoïque Dans le cas de l envronnemen de ype chambre anéchoïque, nous avons évalué les ros ypes de confguraon SISO, MISO x1, MISO 3x1 cés précédemmen avec les cnq cas de fgures présenés dans la secon 4... L objecf es d évaluer le gan de focalsaon emporelle e spaale d une par en foncon de la complexé du canal donc du mleu de propagaon, e, d aure par, en foncon de la confguraon d anenne SISO ou MISO. Pour la confguraon SISO, la dsance enre l anenne émerce e l anenne réceprce es de 5 m, la confguraon MISO x1 es éable de sore à obenr une dsance de 5 m enre T x1 e R x, e 3.6 m enre T x e R x. Quan à la confguraon MISO 3x1, elle correspond à l ajou d une rosème anenne émerce à la confguraon MISO x1, de sore à obenr une dsance de 4 m enre T x3 e R x. Le Tableau 4.1 présene l ensemble de combnasons consdérées pour la valdaon expérmenale du RT. Pour éuder l mpac du chox de la forme d onde, nous avons consdéré ros ypes de formes d onde : la seconde dérvée de la Gaussenne avec une durée de 1 ns, la monocycle avec une durée de 1 ns e la foncon de Gegenbauer d ordre 1 e d ordre 3. Pour chacune des formes d onde, une mesure expérmenale es enregsrée pus, les résulas ssus de l osclloscope son raés. Cas de Fgure Confguraon d anennes SISO MISO x1 MISO 3x1 Aucune plaque réflecrce Aucune plaque réflecrce Aucune plaque réflecrce 1 plaque réflecrce 1 plaque réflecrce 1 plaque réflecrce plaques réflecrces plaques réflecrces plaques réflecrces 3 plaques réflecrces 3 plaques réflecrces 3 plaques réflecrces 4 plaques réflecrces 4 plaques réflecrces 4 plaques réflecrces Tableau 4. 1 : Ensemble des cas de fgure éudés, en foncon des confguraons d anennes SISO, MISO x1 e MISO 3x1 135

138 Pour chacune des 15 confguraons reenues, une mpulson seconde dérvée gaussenne es ransmse par le bas des généraeurs d mpulson, le sgnal reçu es acqus par l osclloscope, reourné emporellemen pus rééms. Dans le cas des confguraons MISO x1 pus MISO 3x1, chaque saon de base envoe son sgnal enregsré, renversé dans le emps e rééms par la même saon de base. La Fgure 4.6 présene l exemple du sgnal reçu pour la confguraon SISO sans reournemen emporel dans le cas de fgure où 3 plaques réflecrces son ulsées. En comparan celu-c avec le sgnal reçu Fgure 4.7 dans le cas où le sgnal reçu es préalablemen reourné emporellemen, nous observons une augmenaon de l amplude sgnfcave en passan du sgnal reçu sans RT au sgnal reçu avec RT. Pour évaluer de manère générale cee focalsaon emporelle, nous avons calculé le gan de focalsaon GF obenu pour chaque cas de fgure. L ensemble des résulas obenus es regroupé Tableau 4.. Nous consaons que pour chacune des ros confguraons, le gan de focalsaon augmene en foncon du nombre de plaques réflecrces nrodues. Par exemple, dans le cas de la confguraon SISO, GF es passé de.1 db avec une plaque réflecrce à 6.14 db avec 4 plaques réflecrces. Par alleurs, en comparan les valeurs de GF pour les ros ypes de confguraon, nous consaons, que GF augmene en passan de la confguraon SISO à la confguraon MISO. En prenan l exemple du cas de fgure à 4 plaques réflecrces, GF es de 6.14 db pour la confguraon SISO, alors qu l passe à 9.83 db pour la confguraon MISO x1 e 1.79 db pour la confguraon MISO 3x1. Ces résulas confrmen l mpac de la complexé du mleu de propagaon pour le RT, mas auss l nérê de la confguraon mul anennes pour le RT..5 h [V] Echanllons Fgure 4. 6 : Sgnal reçu sans RT cas de la confguraon SISO, avec 3 plaques réflecrces 136

139 .5 heq [V] Echanllons Fgure 4. 7 : Sgnal reçu avec RT cas de la confguraon SISO, avec 3 plaques réflecrces Confguraons SISO MISO x1 MISO 3x1 GF [db] Sans réfleceur GF [db] 1 plaque réflecrce GF [db] plaques réflecrces GF [db] 3 plaques réflecrces GF [db] 4 plaques réflecrces Tableau 4. : Gan de focalsaon GF en foncon du nombre de plaques réflecrces nrodues dans l envronnemen de propagaon cas SISO, MISO x1 e MISO 3x1 Nous avons égalemen relevé les gans de focalsaon en foncon des dfférenes formes d ondes dans le cas de fgure à 3 plaques réflecrces. Les résulas son présenés Tableau 4.3. Nous consaons alors que le gan de focalsaon es plus mporan en exploan la seconde dérvée gaussenne comparée au monocycle ou aux foncons de Gegenbauer. Cec a éé préalablemen consaé avec les résulas analyques e les résulas de smulaon. Confguraons SISO MISO x1 MISO 3x1 GF [db] nde dérvée gaussenne GF [db] Monocycle GF [db] Gegenbauer Tableau 4. 3 : Gan de focalsaon GF en foncon pour dfférenes formes ; cas de fgure à 3 plaques réflecrces cas SISO, MISO x1 e MISO 3x1 137

140 Pour évaluer la focalsaon spaale, nous avons consdéré le cas de fgure à 3 plaques réflecrces. Pour les ros confguraons SISO, MISO x1 e MISO 3x1, le récepeur es déplacé de 1 cm par rappor à sa poson nale. Nous noons p la poson nale e p 1 la poson correspondan au déplacemen de 1 cm par rappor à la poson nale La Fgure 4.8 en fa une llusraon pour la confguraon SISO. Le sgnal préalablemen renversé dans le emps à la poson nale es reransms va les saons émerces. Le sgnal es alors reçu par la saon réceprce à la poson p 1. Fgure 4. 8 : Illusraon du prncpe d évaluaon de FS Les Fgures 4.9 e 4.1 présenen respecvemen un exemple sur les sgnaux reçus après reournemen emporel aux dfférenes posons p e p 1, pour la confguraon SISO avec 3 plaques réflecrces. Nous consaons qu en passan de la poson nale p à la poson de nerférene p 1, nous perdons en focalsaon. Nous avons alors évalué la focalsaon spaale FS obenue à la poson p comparée à la poson p 1 pour les ros confguraons e dans les cnq cas de fgure cés précédemmen. Les résulas son présenés au Tableau 4.4. En fasan une éude comparave enre, d une par les cnq cas de fgure e, d aure par, les 3 ypes de confguraon, nous consaons que les valeurs de focalsaon spaale crossen en foncon du nombre de réfleceurs, mas auss en foncon du nombre d anennes émerces. Cec confrme une fos de plus, les résulas obenus en héore e en smulaon, aboussan à conclure que le reournemen emporel, profe de la complexé du mleu de propagaon mas auss de la confguraon mul-anennes en l occurrence, la confguraon MISO. 138

141 heq p, [V] Fgure 4. 9 : Sgnal reçu à la poson cble p confguraon SISO avec deux plaques réflecrces heq p1, [V] Echanllons Echanllons Fgure 4. 1 : Sgnal reçu à la poson nerférene p 1 confguraon SISO avec deux plaques réflecrces SISO MISO x1 MISO 3x1 FS [db] Sans réfleceur FS [db] 1 plaque réflecrce FS [db] plaques réflecrces FS [db] 3 plaques réflecrces FS [db] 4 plaques réflecrces Tableau 4. 4 : Focalsaon spaale FS en foncon du nombre de plaques réflecrces nrodues dans l envronnemen de propagaon cas SISO, MISO x1 e MISO 3x1 139

142 Le Tableau 4.5 présene les résulas obenus sur l évaluaon de FS pour les dfférenes formes d onde dans le cas de fgure à 3 plaques réflecrces. Nous consaons encore une fos, que la seconde dérvée gaussenne présene de melleures performances en ermes de focalsaon spaales comparées au monocycle e aux foncons de Gegenbauer. En oure, FS augmene en foncon du nombre d anenne. Confguraons SISO MISO x1 MISO 3x1 FS [db] nde dérvée gaussenne FS [db] Monocycle FS [db] Gegenbauer Tableau 4. 5 : Focalsaon spaale FS en foncon du nombre de plaques réflecrces nrodues dans l envronnemen de propagaon cas SISO, MISO x1 e MISO 3x Envronnemen de ype ndoor Les paramères e dsposfs ulsés nalemen en chambre anéchoïque on éé reprs en envronnemen ndoor, sans ajou des plans réfleceurs méallques passfs ouefos. Dans cee pare, nous consdérons les 3 ypes de confguraons vus précédemmen SISO, MISO x1, MISO 3x1 e l envronnemen de propagaon ndoor exsan. Nous avons effecué les mêmes mesures qu en chambre anéchoïque pour l évaluaon de la focalsaon emporelle e de la focalsaon spaale. Les Fgures 4.11, 4.1 e 4.13 a, b, présenen respecvemen, les sgnaux reçus sans RT e avec RT pour les confguraons SISO, MISO x1 e MISO 3x1. En comparan les sgnaux reçus sans RT avec les sgnaux reçus avec RT, nous consaons à nouveau le phénomène de focalsaon emporelle. Par alleurs, en comparan les ampludes des sgnaux reçus avec RT enre les ros confguraons, on peu observer que la plus grande amplude es obenue avec la confguraon MISO 3x1, la confguraon MISO x1 présenan à son our une amplude supéreure du sgnal reçu par rappor à la confguraon SISO. 14

143 h [V] heq [V] Echanllons a Echanllons Fgure : a Sgnal reçu sans RT, b Sgnal reçu avec RT confguraon SISO b h [V] heq [V] Echanllons a Echanllons Fgure 4. 1 : a Sgnal reçu sans RT, b Sgnal reçu avec RT confguraon MISO x1 b h [V] Echanllons a Echanllons Fgure : a Sgnal reçu sans RT, b Sgnal reçu avec RT confguraon MISO 3x1 heq [V] b 141

144 Ces résulas, son renforcés par ceux obenus sur l évaluaon du gan de focalsaon GF, présenés au Tableau 4.6. Dans ce derner, nous remarquons la crossance des valeurs de GF en foncon du nombre d anennes émerces ulsées. Par alleurs, l évaluaon de la focalsaon spaale FS sur la poson cble p par rappor à la poson p 1, a éé effecuée avec les ros ypes de confguraons. Les Fgures 4.14 a, b présenen respecvemen les sgnaux reçus aux posons p e p 1, dans le cas de la confguraon SISO. Nous remarquons à nouveau la pere de focalsaon en passan de la poson p à la poson p 1. Cee pere de focalsaon es radue par la focalsaon spaale du sgnal à la poson cble p par rappor à la poson nerférene p 1. Le Tableau 4.7 donne les valeurs de FS pour les ros ypes de confguraons, au déplacemen correspondan à la poson p 1 par rappor à p. Confguraon SISO MISO x1 MISO 3x1 GF [db] Tableau 4. 6 : Gan de focalsaon GF en envronnemen ndoor cas SISO, MISO x1 e MISO 3x1.5.5 heq p, [V] heq p1, [V] Echanllons a Echanllons Fgure : a Sgnal reçu avec RT à la poson cble p ; b sgnal reçu avec RT à la poson p 1 confguraon SISO b SISO MISO x1 MISO 3x1 FS [db] Tableau 4. 7 : Focalsaon spaale en envronnemen ndoor cas SISO, MISO x1 e MISO 3x1 En résumé, cee pare expérmenale a perms d évaluer, pour dfférenes confguraons d anennes e de posonnemen, les caracérsques du RT en ermes de focalsaon emporelle e spaale. Les résulas obenus monren que le RT es un candda poenel 14

145 néressan pour l ULB applqué à la localsaon. En effe, le RT profe non seulemen de la complexé du mleu de propagaon, mas auss de la confguraon mul-anennes MISO pour amélorer ces paramères de focalsaon. Nous avons d alleurs consaé, que la melleure focalsaon spao-emporelle es obenue pour la confguraon MISO 3x1. Cee confguraon es la plus proche de nore applcaon, en effe, une confguraon composée de 3 émeeurs e d un récepeur sera consdéré pour nore applcaon de localsaon. Dans la prochane secon, nous verrons l appor du RT assocé à l ULB en ermes de précson de localsaon Appor du RT au sysème de localsaon ULB Après avor valdé la pare expérmenale concernan l évaluaon des caracérsques du RT, nous avons procédé à des ess expérmenaux dans le bu de valder les résulas de smulaon poran sur l évaluaon des performances du sysème de localsaon ULB-RT. Nous effecuons dans ce cas une éude comparave enre le sysème de localsaon ULB convenonnel e le sysème de localsaon ULB-RT proposé. Nous dsposons au mons de ros saons de base émerces e d une saon de base réceprce qu joue le rôle du moble à localser, nous sommes donc dans une confguraon MISO mx1 où m 3. Le prncpe es le suvan : - Dans le cas du sysème ULB convenonnel sans RT, des sgnaux ULB consués de rans d mpulsons codées 7 séres d mpulsons basés sur la seconde dérvée gaussenne son ransms par chaque saon chaque saon possédan son propre sgnal codé vers la saon réceprce. Les sgnaux reçus son acqus par l osclloscope pus, nous effecuons un raemen conssan à relever le emps d arrvée des dfférens sgnaux, calcul TDOA, pus un algorhme de localsaon es applqué l algorhme de Chan es ulsé pour déermner la poson du moble récepeur. - Pour le sysème ULB-RT, chaque saon émerce, envoe son sgnal qu es acqus par l osclloscope pus, un premer raemen de reournemen des sgnaux dans le emps es effecué. Ensue ces sgnaux reournés son ransms depus chaque saon de base vers le récepeur. A ce nveau, les sgnaux reçus avec RT son acqus pus, le raemen précsé précédemmen permean de déermner la poson du récepeur es effecué. Dans ce cas ouefos, les sgnaux reçus avec RT son corrélés avec les sgnaux de référence reournés dans le emps els que rééms. 143

146 Comme pour l éude des paramères de focalsaon, les expérmenaons on éé menées successvemen en chambre anéchoïque pus en envronnemen ndoor En chambre anéchoïque En chambre anéchoïque, nous avons consdéré les cnq cas de fgure ndqués précédemmen. Tros séres d acqusons on éé effecuées pour chaque cas de fgure. Les Fgures 4.15 e 4.16 présenen un exemple d acquson réalsé pour le cas de fgure correspondan à 3 plaques réflecrces, ces fgures corresponden respecvemen aux sgnaux reçus sans RT e avec RT de la saon h1 [V] Echanllons Fgure : Sgnal reçu dans le cas du sysème ULB convenonnel sans RT pour la saon heq 1 [V] Echanllons Fgure : Sgnal reçu dans le cas du sysème ULB-RT pour la saon 1 144

147 Après raemen, nous avons déermné la poson du moble pour les deux sysèmes de localsaon ULB convenonnel e ULB-RT. La Fgure 4.17 présene les résulas obenus en ermes d erreur sur la précson en localsaon pour ce cas de fgure. Avec le sysème ULB convenonnel, nous obenons une erreur de localsaon de 11. cm sur la précson alors qu elle descend à 3.3 cm dans le cas de l ULB-RT. Fgure : Localsaon ULB convenonnelle e ULB-RT cas de fgure à 3 plaques réflecrces en chambre anéchoïque Afn d éuder les performances des deux sysèmes dans nos dfférens cas de fgures, nous avons déermné sysémaquemen l erreur de localsaon pour le sysème ULB convenonnel e pour le sysème ULB-RT. Pour ce fare, ros séres d acquson on éé exploées e raées pus, les erreurs de localsaon on éé déermnées. Les résulas son reporés aux Tableaux 4.8 e 4.9, correspondan respecvemen aux résulas du sysème ULB convenonnel e du sysème ULB-RT. Erreur en cm sur la précson en localsaon selon les cas de fgure Cas de fgure Sans plaque réflecrce 1 ère sére d acqusons éme sére d acqusons 3éme sére d acqusons plaque réflecrce plaques réflecrces 3 plaques réflecrces 4 plaques réflecrces Tableau 4. 8 : Erreurs sur la précson de localsaon en foncon des cas de fgure éudés : cas du sysème ULB convenonnel ULB sans RT 145

148 Erreur en cm sur la précson en localsaon selon cas de fgure Cas de fgure Sans plaque réflecrce 1ère sére 1ére sére d acqusons éme sére d acqusons 3éme sére d acqusons plaque réflecrce plaques réflecrces 3 plaques réflecrces 4 plaques réflecrces Tableau 4. 9 : Erreurs en localsaon en foncon des cas de fgure éudés : cas du sysème ULB-RT En consdéran la valeur moyenne obenue sur les ros acqusons. Les résulas correspondan au sysème ULB convenonnel e au sysème ULB-RT son respecvemen reporés aux Tableaux 4.1 e En comparan les deux sysèmes dans le cas de fgure 1 sans plaque réflecrce, nous consaons peu de dfférence, même s le sysème ULB-RT procure une erreur de localsaon plus fable sur la précson, la dfférence n es que de 4 mm. Cec peu s explquer par le fa qu l n y a aucune présence de réfleceurs dans le mleu, e donc rès peu de réflexons présenes. Pour ous les aures cas de fgure, le sysème ULB-RT fourn une erreur plus fable en ermes de précson de localsaon. Nous observons égalemen que la dfférence enre les valeurs d erreur s accroî lorsque le nombre de réfleceurs consdérés. En effe, la dfférence d erreur sur la précson enre les deux sysèmes dans le cas de fgure 1 plaque réflecrce es de.1 cm, alors qu elle es de 9.76 cm dans le cas de fgure 5 ulsan 4 plaques réflecrces. L aou de la complexé du mleu de propagaon sur le RT se répercue ans sur les résulas obenus en localsaon. Cas de fgure Erreurs moyennes en cm Sans plaque réflecrce 1 plaque réflecrce plaques réflecrces 3 plaques réflecrces 4 plaques réflecrces Tableau 4. 1 : Erreur moyenne en localsaon obenue avec 3 acqusons cas du sysème ULB convenonnel Cas de fgure Erreurs moyennes en cm Sans plaque réflecrce 1 plaque réflecrce plaques réflecrces 3 plaques réflecrces 4 plaques réflecrces Tableau : Erreur moyenne obenue avec 3 acqusons cas du sysème ULB-RT 146

149 Nous avons esé les formes d onde de ype monocycle e de Gegenbauer pour le cas de fgure 5 4 plaques réflecrces. L erreur moyenne a éé calculée pour ros séres d acquson. La Fgure 4.18 monre les résulas obenus pour les ros ypes de formes d ondes éudés dans le cas de fgure 5. Nous remarquons que pour ous les ros ypes de formes d onde, le sysème ULB-RT offre de melleures performances en ermes d erreur sur la précson en localsaon. Par alleurs, en comparan l écar enre l erreur obenue avec le sysème ULB convenonnel e le sysème ULB-RT pour ces ros ypes de formes d onde, le plus grand écar es observé avec la forme d onde de la seconde dérvée gaussenne. Auremen d, l effe du reournemen emporel sur la localsaon es plus mporan en ulsan une forme d onde de ype seconde dérvée de la gaussenne. Cec semble confrmer ce qu a éé avancé dans la pare smulaon e jusfé par le fa que la seconde dérvée gaussenne possède un lobe prncpal focalsan plus d énerge que les deux aures formes d onde. Fgure : Localsaon ULB convenonnelle e ULB-RT pour les ros formes d ondes ulsées nde dérvée gaussenne, monocycle e de Gegenbauer En envronnemen ndoor Les mêmes ess expérmenaux on éé applqués selon un proocole denque dans le cas de l envronnemen ndoor du laboraore RF de l IFSTTAR présené précédemmen, sans réfleceurs supplémenares. Tros séres d acquson on éé effecuées. Les Fgures 4.19 e 4. présenen respecvemen, un exemple du sgnal reçu avec le sysème ULB convenonnel e ce correspondan avec le sysème ULB-RT, ces sgnaux son reçus depus la saon 1. Après raemen des sgnaux reçus, nous obenons Fgure 4.1 une erreur sur la 147

150 précson en localsaon de cm pour le sysème ULB convenonnel. Cee erreur passe à 7.11 cm dans le cas du sysème ULB-RT. L ensemble des résulas obenu sur les ros séres d acquson es présené au Tableau 4.1. h1 [V] Echanllons Fgure : Sgnal reçu avec le sysème ULB convenonnel sans RT en envronnemen ndoor, pour la saon heq 1 [V] x 1 4 Fgure 4. : Sgnal reçu avec le sysème ULB-RT en envronnemen ndoor, pour la saon 1 Erreur en cm ULB convenonnel Echanllons Acquson 1 Acquson Acquson Erreur en cm ULB-RT Tableau 4. 1 : Résulas obenus sur l erreur de posonnemen avec ros acqusons envronnemen ndoor 148

151 La valeur moyenne de l erreur es de cm pour le sysème ULB convenonnel e de 7.17 cm pour le sysème ULB-RT. Ce derner présene donc un gan en précson de localsaon sgnfcaf. Dans l ensemble des confguraons éudées e pour ous les envronnemens complexes consdérés nous obenons de melleures performances par l assocaon de l ULB e du RT par rappor à l ULB seul en ermes d erreur de posonnemen en localsaon. Cec confrme les résulas obenus en smulaon. Par alleurs, en comparan les valeurs obenues en smulaon e celles obenues en expérmenaon poran sur l erreur de posonnemen, nous consaons une dfférence de l ordre de 5 cm. Cec s explque par le fa que l envronnemen modélsé en smulaon n es pas parfaemen denque à l envronnemen d expérmenaon, e ce, auss ben dans le cas de la chambre anéchoïque que dans le cas de l envronnemen ndoor. De plus, les conranes lées à la synchronsaon enre les généraeurs d mpulsons son, enre aures, à prendre à compe. D aures ess expérmenaux son réalsés dans des envronnemens réels smlares à l applcaon de ype unnel Concluson Ce derner chapre du mémore a éé consacré à la valdaon expérmenale des résulas héorques e de smulaon développés dans le chapre 4. Nous avons présené dans la premère pare de ce chapre, le dsposf expérmenal ms en œuvre e l ensemble des élémens ulsé pour les ess expérmenaux. Dans la deuxème pare du chapre, nous avons procédé à la valdaon expérmenale des caracérsques du RT. Les résulas obenus on confrmé les résulas héorques e de smulaon poran sur l évaluaon de la focalsaon emporelle e spaale. La dernère pare du chapre a perms de valder les résulas de smulaon poran sur l évaluaon des performances du sysème de localsaon ULB-RT proposé. En effe, sur l ensemble des confguraons consdérées, l a éé monré, d une par, que le RT présene des aous majeurs pour l ULB en ermes de focalsaon spao-emporel, e, d aure par, que ce avanage se rerouve sur l applcaon à la localsaon. Une éude comparave a éé effecuée enre le sysème de localsaon ULB convenonnel e le sysème de localsaon ULB-RT. Les résulas obenus permeen de conclure que le sysème de localsaon ULB-RT procure, dans ous nos cas de fgure évalués de melleures performances par rappor au sysème ULB sans RT. 149

152 Concluson générale e perspecves Concluson générale L objecf de la conrbuon décre dans ce mémore de hèse concerne l éude de la fasablé d un sysème de localsaon basé sur l assocaon de la echnologe rado ulra large bande e de la echnque de reournemen emporel applqué aux ranspors gudés. Pour ce fare, l s es avéré nécessare de dresser un aperçu général des prncpaux sysèmes de localsaons exsans e des dfférenes applcaons vsées en se focalsan sur les dfférenes echnques de localsaon exsanes dans les ranspors gudés. Nous avons présené les prncpales caracérsques des deux echnques assocées ans que les dfférenes recherches les assocan pour dverses applcaons. Nore éude pore, d une par, sur l évaluaon des propréés du reournemen emporel, en exploan des paramères des de focalsaon emporelle e de focalsaon spaale, e d aure par, sur l évaluaon de son appor pour la echnologe rado ulra large bande en ermes de précson en localsaon. Deux modèles de canaux on éé ulsés, l un basé sur une approche de déermnse e l aure sur les modèles de canaux IEEE a. Nous avons d abord procédé à une éude héorque e de smulaon des propréés du reournemen emporel afn d esmer les capacés de focalsaon emporelle e spaale de ce derner. Les résulas obenus on monré que la echnque de reournemen emporel procure une capacé de focalsaon spao-emporelle rès élevée. Par alleurs, nous avons éudé l mpac de la complexé du canal sur les propréés du reournemen emporel. Cee éude a perms de conclure que le reournemen emporel profe parculèremen de la complexé de l envronnemen de propagaon. En d aures ermes, la capacé de focalsaon du reournemen emporel augmene en foncon de la complexé du mleu de propagaon. En comparan les ypes de confguraon d anenne SISO e MISO, nous avons pu conclure que l ulsaon du reournemen emporel dans une confguraon mul-anennes produ une focalsaon plus mporane e s avère plus performane que dans une confguraon mono anenne. Afn de vérfer l mpac de ces propréés de focalsaon emporelle e spaales pour l applcaon à la localsaon, nous avons modélsé deux sysèmes de localsaon, l un basé sur la echnologe rado ULB seule e l aure, assocan cee echnologe à la echnque du RT. Après comparason des performances des deux sysèmes en ermes d erreur de posonnemen en localsaon, nous remarquons que, sur l ensemble des confguraons 15

153 d anennes consdérées e l ensemble des cas de fgures éudés, le sysème ULB-RT proposé procure une melleure précson pour la localsaon e un gan en ermes de focalsaon vers la cble ran. Les ess expérmenaux effecués en chambre anéchoïque e en laboraore on perms de valder les résulas héorques e expérmenaux. Ces ess expérmenaux on poré, d une par, sur l évaluaon des propréés de focalsaon emporelle e spaale du reournemen emporel e, d aure par, sur une éude comparave enre le sysème de localsaon ULB convenonnel e le sysème ULB-RT proposé. Expérmenalemen, dfférenes confguraons ulsées en héore e en smulaon on éé approchées dans dfférens cas de fgures. Les mesures obenues on perms d effecuer des raemens aboussan à la déermnaon des gans de focalsaon emporelle e spaale d une par, e de l erreur de posonnemen pour chaque sysème consdéré, d aure par. Ces résulas expérmenaux on perms de confrmer les résulas héorques e les résulas de smulaon sur les propréés de focalsaon d énerge du RT e l avanage du sysème de localsaon ULB-RT comparé au sysème de localsaon ULB seul. Au fnal, les résulas obenus dans cee hèse monren que l assocaon de la echnologe rado ULB e de la echnque de reournemen emporel abou à un sysème de localsaon rès performan, offran une bonne précson de localsaon requse dans des applcaons de ranspors gudés. Perspecves Nore raval de hèse s es poré sur l éude des propréés de focalsaon du reournemen emporel e de son appor pour l améloraon de l erreur de posonnemen en l assocan à la echnologe rado ULB. Les résulas obenus sur l évaluaon du sysème de localsaon ULB-RT son en D, nous proposons comme premère pse, de poursuvre cee éude en 3 D pour d aures ypes d applcaons noammen la localsaon à l néreur des bâmens e des parkngs regroupan éudes héorques, éudes en smulaon e pluseurs éapes expérmenales nermédares suves d un démonsraeur prooype, emps réel du sysème de localsaon. Comme deuxème pse, ce sysème ULB-RT pourra combner un servce de localsaon e un servce de communcaon. Il sera alors néressan, d éuder le parage de la bande passane enre les deux fonconnalés. Auss, éan données que les confguraons adopées son de ype mul anennes au mons 3 saons émerces pour la localsaon e qu l a éé 151

154 monré que l augmenaon du nombre d anennes mène à l augmenaon de la consommaon d énerge, l sera opmal d ulser une echnque de modulaon e un sysème de codage qu requèren une fable almenaon en énerge, d où la nécessé de mener une éude sur les echnques de modulaon e de codages approprées e à fable consommaon. Afn d assocer communcaon e localsaon, un blan énergéque global du sysème peu êre mené. Pour permere le parage du canal de ransmsson enre la communcaon e la localsaon, e la possblé d adresser sélecvemen l nformaon vers dfférens rans, un sysème de codage performan devra égalemen êre développé. Ce sysème de codage devra ulser l énerge d une façon opmale lors des phases d encodage e de décodage. L ensemble des éudes effecuées, pourra êre ms en œuvre va une mplémenaon opmale sur des plaeformes ype FPGA Feld-Programmable Gae Array. Les foncons opmsées de codage/décodage e de modulaon/démodulaon pourraen y êre modélsées en sous-blocs, en ulsan par exemple le langage VERILOG HDL pour FPGA. Cee mplémenaon devendra une base expérmenale effecve de vérfcaon afn de valder le concep d un sysème de communcaon/localsaon basé sur l assocaon de l ULB e du RT à rès fable consommaon. 15

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160 Publcaons e communcaons scenfques - Journal Inernaonal [1] B. Fall & al., Assessmen of he Conrbuon of Tme Reversal on a UWB Localzaon Sysem for Ralway Applcaons, IEEE Transacons on Vehcular Technology TVT soums. [] B. Fall, M. F. Elbahhar, M. Heddebau, A. Rvenq, Tme-Reversal UWB Posonng Beacon for Ralway Applcaon, Wreless Engneerng and Technology, Vol. 4, 13, pp [3] M. Heddebau, F. Elbahhar, B. Fall, A. Rvenq "Perspecves d ulsaon de l ULB en sgnalsaon ferrovare", accepé en sep 13 pour REE. [4] F. Elbahhar, B. Fall, A. Rvenq, M. Heddebau and R. Elassal, Indoor Posonng Sysem Based on he Ulra Wde Band for Transpor Applcaons by chaper n New Approach of Indoor and Oudoor Localzaon Sysems Eded by Fouza Boukour Elbahhar and Aka Rvenq, ISBN ,1. - Aces de Renconre Inernaonales [5] B. Fall, M. F. Elbahhar, M. Heddebau and A. Rvenq, Effecs of Tme Reversal Technque on a UWB Posonng Sysem, Inernaonal Conference On Telecommuncaons ICT, Casablanca Morocco, 6-8 Ma 13, pp [6] B. Fall, M. F. Elbahhar, M. Heddebau, A. Rvenq, Tme-Reversal UWB Posonng Beacon for Ralway Applcaon, Inernaonal Conference on Indoor Posonng and Indoor Navgaon IPIN, IEEE Proceedng, Sydney Ausrala, 1, pp.1-8. [7] B. Fall, M. F. Elbahhar, M. Heddebau and A. Rvenq, Tme Reversal and UWB Technques for Posonng Sysem n Transpor Applcaons, Inernaonal Sympo- sum on Sgnal, Image, Vdeo and Communcaons ISIVC, Valencennes France, 4-6 July 1, pp [8] F.Elbahhar, B.Fall, M.Heddebau, A.Rvenq, J.M.Rouvaen "Indoor posonng sysem based on he UWB echnque," IPIN, Gumarães Porugal, 1-3 Sepember Aces de Renconres Naonales [9] B. Fall, M. F. Elbahhar, M. Heddebau and A. Rvenq, Eude d une balse de localsaon pour les rans, fondée sur l assocaon des echnques ULB e reournemen emporel, Assemblée générale Inerférences d Ondes, Nce, 4-6 Ocobre

161 Annexes A : Régulaon du specre ULB aux Eas-Uns e en Ase A. 1 Régulaon aux Éas-Uns Le processus de régulaon du specre rado ULB aux Éas-Uns a éé enamé par la FCC en Une premère proposon de régulaon es alors proposée en ma [17]. Les règles de régulaon du specre ULB de la FCC permeen d émere des sgnaux prncpalemen sur la bande 3,1 GHz - 1,6 GHz, en respecan une densé specrale de pussance nféreure aux règles déjà en place pour les émssons rado non nenonnelles. Tros classes dfférenes d équpemens son consdérées : - les sysèmes d magere radar ; - les sysèmes radar embarqués de véhcules ; - les sysèmes de communcaon e de mesure. Chaque classe d équpemen possède son propre masque d émsson. La Fgure A.1 présene le masque d émsson des sysèmes de communcaon, pour usage néreur ndoor. Pour la bande de fréquences de largeur 7.5 GHz [ ] GHz, la FCC auorse une pussance PIRE 33 moyenne de -41.3dBm/MHz cela équvau envron à 74 nw/mhz comme présené en Fgure A.1. En dehors de la bande une marge de 1 db es éable pour les sysèmes nécessan une nfrasrucure fxe ndoor e de db pour les sysèmes en exéreur oudoor porafs hand-held Fgure A.1. Cee dsncon enre les deux sysèmes es due au déplacemen des derners mplquan le changemen fréquen d envronnemen enranan plus de rsque d nerférences. Evdemmen, cee lmaon de pussance sévère es compensée par la largeur de bande de fréquence occupée, ce qu jusfe le gan en déb Eq. A.1. Une aure lme sur la pussance crêe es égalemen nsaurée afn d éver des pussances nsananées rop mporanes engendrées par des valeurs de PRF rop fables. Exprmée en dbm auour de la fréquence correspondane au maxmum specral e foncon de la bande de résoluon RBW comprse enre 1 MHz e 5 MHz, elle es défne par Eq. A.1 : RBW EIRP pc = log1 A Pussance Isoropque Rayonnée Equvalene 159

162 Ans pour une bande de mesure de 5 MHz, la pussance crêe es lmée à dbm. Au nveau sysème, une lmaon sur la PRF 34 es mposée pusque les pussances moyennes e crêes en dépenden. La FCC a fxé une lme mnmale de 1 MHz. Fgure A. 1 : Masque de lmaon de la PIRE selon la FCC A. Régulaon en Ase En Ase, chaque pays dspose d un masque de specre ULB spécfque. En 3, l auoré de régulaon Sngapourenne : la Sngapore Infocomm Developmen Auhory IDA a créé une zone de recherche sur l ULB, appelée UWB Frendly Zone, qu perme de déployer des ess e des démonsraeurs à Sngapour avec des expérmenaons ulsan des émssons de pussance jusqu à 1 db au-dessus de la lme de la FCC e une bande s éalan de GHz à 1 GHz [17]. En cela, l IDA ene de donner une avance sgnfcave à Sngapour dans les nouvelles echnologes de communcaon rès probablemen dans le bu de reser scenfquemen e économquemen concurrenel. En Aoû 6, le journal offcel du gouvernemen japonas a annoncé la réglemenaon du specre rado ULB au Japon. Les bandes de fréquences arbuées son : GHz e GHz. La Fgure A. présene les dfférens masques de pussance du specre ULB. 34 Pulse Repeon Frequency 16

163 Fgure A. : Masque de pussance du specre ULB 161

164 Annexe B : Reournemen Temporel RT B. 1 RT des ondes acousques En acousque, la propagaon d une onde en mleu flude héérogène e non dsspaf es rége par l équaon suvane : 1 r. ρ. Φ r, = 1 Φ r, ρ B.1 r c r où Φ r, es le poenel acousque de l onde au pon r, c correspond à la dsrbuon r r spaale de céléré du son du mleu e ρ à la dsrbuon de densé du mleu. Cee équaon présene la propréé d êre nvarane par renversemen du emps. En effe, s un poenel Φ r, en es soluon, alors Φ r, es auss soluon car on es en présence de dérvées d ordre par en emps. Cee propréé mplque que pour oue onde dvergene Φ r,, l exse une onde Φ r, qu converge vers sa source acousque. Touefos, s le mleu de propagaon présene une aénuaon dépendan de la fréquence, l'équaon de propagaon peu conenr une dérvée d ordre mpar e donc, l'nvarance es perdue. La propréé spécale du reournemen emporel a éé observée par Sokes dans le cadre de l'expérence classque de la réflexon e de la ransmsson d'une onde plane sur une nerface séparan deux mleux don les vesses du son son dfférenes [37]. B. Le prncpe de récprocé Le prncpe de récprocé de Helmoz-Krchhoff a éé démonré à parr du sysème d équaons lnéares e couplées qu rég l évoluon du champ acousque équaon de conservaon de la masse, équaon d Euler, équaon d Ea. Dans le cas de l acousque lnéare, ce sysème peu s écrre, sous l hypohèse d adabadcé, sans erme source e sans écoulemen comme su : ρ r, =. ρ r r, ρ r. r, = p r, p r, = c r. ρ r, B. 16

165 où ρ r, représene la varaon de densé, r,, la vesse parculare e p r,, la varaon de presson du mleu au pon r e au emps. En changean la varable en, la vesse parculare r, qu correspond à l onde dvergene devendra a r, dans le cas a de l onde convergene. Cec peu s explquer physquemen par le fa que le veceur vesse es une dérvée emporelle du veceur poson. Ce sysème présenan deux dérvées emporelles d ordre 1, l es possble de réalser un reournemen emporel nsanané en enregsran à un nsan donné dans ou l espace à la fos la presson e la vesse e en renvoyan la presson nchangée e la vesse en sens opposé. Cee approche n es pas echnquemen réalsable en ros dmensons. Il a éé démonré que la connassance de la presson e de la vesse normale sur une surface fermée D suff à décrre enèremen le champ dans ou le volume englobé par cee surface [37]. Il a auss éé démonré qu en praque, dans une expérence de reournemen emporel, les émeeurs e récepeurs pourron êre nerchangés car leurs rôles son récproques. B. 3 La cavé à reournemen emporel Dans oue expérence de propagaon, une soluon unque de l'équaon d'onde Φ r, es déermnée sur la base des condons nales. Dans les expérences de RT, l'objecf es de modfer les condons nales de elle manère que Φ r, devenne auss une soluon. Touefos, en rason de la naure causale des phénomènes physques, φ r, n'es pas une soluon expérmenalemen valde. Cependan, Le concep de cavé à reournemen emporel a éé développé par D. Cassereau e M. Fnk [33]. Ces aueurs on démonré qu en exploan le prncpe de Helmholz Krchoff, l opéraon de Reournemen Temporel d un champ ne consse plus à nverser le champ acousque en ous pons du volume consdéré à un nsan donné, mas seulemen le champ e sa dérvée normale sur la surface délman ce volume. Il deven alors possble de fabrquer le champ Reourné Temporel assocé au champ soluon de l équaon de propagaon des ondes acousques. Ce champ Reourné Temporel correspond alors à l onde convergene assocée à l onde qu ava éé nalemen émse. Cee cavé perme donc léralemen de renvoyer vers sa source une onde nalemen dvergene qu a éé émse dans le mleu. Ans, une expérence de reournemen peu se décrre en deux phases : Une phase d enregsremen, duran laquelle la source éme une mpulson de durée donnée, la cavé consuée de ransduceurs enregsre alors le champ e la dérvée normale du champ ; 163

166 Une phase de réémsson, duran laquelle chaque ransduceur de la cavé se compore elle une source e éme le champ ans que sa dérvée normale en sens opposé, ces deux grandeurs son émses dans une chronologe nversée par rappor à la récepon. Pour représener le prncpe d une elle expérence, les aueurs on ulsé une expérence concepuellemen asée [33] qu consse à magner une source d ondes enourée par une surface complèemen fermée couvere de ransduceurs pézo-élecrques. Le champ ondulaore rayonné dans un premer emps es mesuré e enregsré par ous les ransduceurs. Dans un deuxème emps, on mpose sur cee même surface ce champ dans une chronologe emporelle nversée. La surface deven émerce e génère alors un champ renversé emporellemen, dual du champ nal, qu converge exacemen vers sa source, e cec auss ben en mleu homogène qu héérogène vor Fgure B.1. L onde ans créée se refocalse sur sa source nale. Il a éé démonré que la alle de la âche focale, qu es défne comme la largeur à m-haueur de la zone sur laquelle l énerge se concenre, es lmée par la dffracon. Sa dmenson caracérsque es donc de l ordre de la dem longueur d onde λ assocée aux sgnaux ulsés. L onde parfaemen convergene donne leu, après le collapse au pon source, à une nouvelle onde dvergene, ce qu enraîne l apparon d une âche de dffracon auour de la source. Fgure B. 1 : a Phase d enregsremen des sgnaux, b Phase de réémsson des sgnaux reourné emporellemen à nverser B. 4 Travaux sur l ULB-RT Naqv e al. se son nvess sur la valdaon du RT pour l assocaon à l ULB, cee éude a éé fae du pon de vue de la propagaon afn d éuder les dfférens paramères RT [55]. Les résulas de l'approche mxe pour les valdaons RT son ulsés pour éuder la focalsaon spaale du RT dans un envronnemen néreur e en chambre réverbérane CR. Les effes de dfférenes largeurs de bande e dfférenes valeurs de fréquence mnmale f L 164

167 son éudés sur la focalsaon spaale du RT. La largeur de bande des sgnaux es modfée de deux façons : dans le premer cas, la fréquence basse f L es manenue consane e la bande passane es accrue en augmenan la fréquence supéreure f U, alors que dans le second cas, la fréquence cenrale f C de la bande es manenue consane e la bande passane du sgnal es augmenée de façon symérque auour de f C. La Fgure B. compare la focalsaon spaale du RT pour des largeurs de bande de 1 GHz e de 3 GHz, pour une f L =.7 GHz. La dmenson de la ache de focalsaon ne dmnue cependan pas beaucoup. Une éude smlare a éé effecuée en comparan la focalsaon spaale du RT pour une bande passane consane de 3 GHz, avec des fréquences f =. 7 e GHz. Dans ce cas, la dmenson de la âche de focalsaon dmnue sgnfcavemen avec l augmenaon de la fréquence nféreure. Les aueurs on en oure évalué la fasablé de la echnque RT en communcaon ULB en ulsan des résulas de l approche par mesure. Un canal de propagaon ndoor ypque es séleconné pour l éude. Ans dfférenes caracérsques du RT, elles que le gan de focalsaon GF, l augmenaon de la pussance moyenne APM, le sgnal à lobe secondare RSS, la pussance crêe normalsée PCN e l écar ype des reard σ, son éudées en confguraon LOS e NLOS. Il a ans éé démonré qu avec le τ RT, le sgnal es reçu es comprmé dans le emps, a une durée effecve rès coure e son RSS es élevé. Tous les ypes de confguraon éudés on monrés l avanage de l assocaon du RT à l ULB pour la communcaon. La robusesse du reournemen emporel a égalemen éé évaluée. L Fgure B. : Focalsaon spaale du RT 165

168 L éude paramérque du RT es effecuée avec dfférenes confguraons mul-anennes SISO, SIMO, e MIMO en conexe ULB. Les aueurs on ans développé un nouveau schéma de modulaon pour la communcaon ULB-RT, l analyse héorque des performances en TEB de cee nouvelle modulaon a éé effecuée, pus valdée en smulaon e en expérmenaon [55]. La Fgure B.3 a-c monre les performances en TEB avec le RT-smple RT-ULB avec modulaon convenonnelle, le RTPC Reournemen Temporel par Permuaon Crculare : l s ag de la echnque avec une modulaon parculère développé dans [55] e le RTmodfé qu es auss assocé à une modulaon spécfque pour 5, 1 e 15 ulsaeurs smulanés. Le RT-modfé présene de melleures performances que le RT-smple ou le RTPC, en parculer pour un nombre d ulsaeurs smulanés plus élevé 1, 15. Fgure B. 3 : Performance en TEB avec 5, 1 e ulsaeurs smulanés avec a RT-smple, b RTPC, c RT-modfé 166

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