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Sur la propagation des ondes lectromagntiques et son
exploitation par des systmes de communication sans fil
On the propagation of electromagnetic waves and its exploitation
by wireless communication systems
Ghas El Zein
Institut dElectronique et de Tlcommunications de Rennes - IETR
UMR CNRS 6164 INSA, 20 Av. des Buttes de Cosmes, CS 70839, 35708
Rennes Cedex 7, France [email protected]
Mots-clefs : Communications sans fil ; haut dbit ; canal de
propagation ; trajets multiples ; techniques de diversit Keywords:
Wireless communications; high bit rate; propagation channel;
multipath; diversity techniques
Rsum Les nouveaux systmes radio mobiles permettent d'intgrer de
multiples services tels que le multimdia et l'accs radio large
bande. Ces systmes doivent rpondre des exigences fortes en termes
de dbit, de performances et de cot, dans un contexte gnral o la
ressource spectrale est de plus en plus rare. Le but de cette
confrence est de mettre en vidence les principales caractristiques
du canal de propagation dans le cadre impos par ces nouvelles
problmatiques, pour ensuite chercher en tirer parti notamment par
des techniques de diversit. Dans un premier temps, un bref aperu
des technologies de communication sans fil sera dress et quelques
nouvelles approches seront prsentes. Ensuite, les diffrentes
mthodes utilises au sein de lIETR pour modliser et caractriser le
canal de propagation des ondes radiolectriques seront abordes.
Enfin, des rsultats de mesures et de simulations seront prsents
pour diffrents types denvironnement de propagation.
Introduction Au cours des dernires dcennies, le monde des
tlcommunications a connu un dveloppement spectaculaire, grce au
grand succs des systmes de communication mobiles et au large
dploiement de l'Internet. Le passage aux nouvelles gnrations de ces
systmes permet d'intgrer de multiples services tels que le
multimdia et l'accs radio large bande. Ces nouveaux systmes doivent
donc rpondre des exigences fortes en termes de dbit, de
performances et de cot, dans un contexte gnral o la ressource
spectrale est de plus en plus rare. Cet article met laccent sur les
principales caractristiques du canal de propagation dans le cadre
impos par ces nouvelles problmatiques, pour ensuite chercher en
tirer parti notamment par des techniques de diversit. Dans un
premier temps, un bref aperu des technologies de communication sans
fil sera dress et quelques nouvelles approches seront prsentes,
telles que les systmes multi-antennes (MIMO pour Multiple-Input
Multiple-Output), l'ultra large bande (UWB pour Ultra-Wideband), le
retournement temporel (TR pour Time Reversal) ou les systmes en
bande millimtrique (MMW pour Millimeter-Wave). Ensuite, les
diffrentes mthodes utilises au sein de lIETR pour caractriser et
modliser ces canaux de propagation seront abordes. Des rsultats de
mesures et de simulations seront prsents pour diffrents types
denvironnement de propagation. Enfin, lanalyse de ces rsultats
permet de discuter des possibilits dintgration de ces nouvelles
techniques de transmission sans fil dans les futurs systmes de
communication.
1. Nouveaux systmes de communication sans fil Aprs le grand
succs des premiers rseaux cellulaires numriques (2G) et le large
dploiement de l'Internet, le multimdia pntre dsormais le march de
masse. L'accs sans fil est devenu une fonction essentielle des
rseaux de communications modernes travers le monde. Cet accs radio
est rendu possible avec larrive des systmes mobiles de
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3G. De mme, les rseaux locaux sans fil (WLAN) assurent cette
connectivit dans les btiments pour les ordinateurs et tlphones
portables. Aujourdhui, afin de repousser encore davantage les
limites de ces systmes en termes de dbit, de qualit de service
(QoS) et defficacit spectrale, des efforts sont fournis pour
amliorer leur conception. En fait, la tendance l'augmentation des
dbits de donnes continuera pour atteindre quelques centaines de
Mbit/s pour une mobilit modre, et quelques Gbit/s en stationnaire
[1] (Fig. 1).
Fig. 1 Evolution des systmes de communications sans fil
Pour rpondre ces spcifications, de nouvelles approches sont
envisages, telles que les systmes multi-antennes (MIMO), l'ultra
large bande (UWB), le retournement temporel (TR) ou les systmes en
bande millimtrique (MMW).
1.1. Les systmes multi-antennes Les systmes de communication
MIMO exploitent la dimension spatiale du canal de propagation, en
utilisant plusieurs antennes lmission et la rception. Ces systmes
tirent parti de la prsence des trajets multiples entre l'metteur et
le rcepteur, crant ainsi des canaux de transmission indpendants.
Dans le cas idal, la capacit du canal crot linairement avec le
nombre minimal d'antennes mettrices et rceptrices [2]. La thorie de
l'information indique que deux mcanismes fondamentaux sont impliqus
dans le processus du transfert de linformation. Dabord, la diversit
est obtenue par la rception et la combinaison de multiples copies
dcorrles de la mme information transmise. Ensuite, le multiplexage
est obtenu par la rception de plusieurs symboles d'information
indpendants. L'amlioration de la qualit et/ou du dbit des donnes
s'appuie sur une connaissance fine des phnomnes de propagation. Une
telle connaissance permet de choisir le schma de codage et de
modulation le plus appropri pour un environnement donn. De mme, les
rseaux d'antennes d'mission et de rception doivent tre
soigneusement conus pour maximiser le rang du canal ; c'est dire le
nombre de modes propres disponibles pour la communication. Dans ce
cas, des mesures de corrlation et de dispersion des paramtres
spatio-temporels du canal jouent un rle central [3].
1.2. L'ultra large bande La technologie UWB consiste mettre des
signaux stalant sur une trs large bande de frquences, typiquement
de lordre de 500 MHz plusieurs GHz. Dabord utilise dans le domaine
de la localisation radar, lUWB est envisage aujourdhui comme
candidate potentielle pour les futurs systmes de transmission sans
fil [4]. En effet, son trs large support spectral permet daugmenter
la capacit de transmission et damliorer la rsistance au brouillage.
Paralllement, l'UWB prsente un fort pouvoir de rsolution
temporelle, qui peut tre exploit pour le traitement efficace des
trajets multiples, mais galement pour rsoudre les problmes de
localisation. De mme, la faible densit spectrale de puissance des
missions UWB augmente la discrtion et la scurit des communications
et diminue le brouillage envers les autres utilisateurs du spectre.
Enfin, la complexit des transmetteurs UWB peut tre rduite par
rapport aux architectures traditionnelles. Ces caractristiques
permettent de proposer des systmes de communication trs haut dbit,
jusqu plusieurs centaines de Mbit/s. Dans ce contexte, la
comprhension des phnomnes physiques mis en jeu dans la propagation
d'un signal UWB, semble ncessaire pour la modlisation du canal de
propagation associ un environnement spcifique [5].
100 Gb/s
10 Gb/s
1 Gb/s
100 Mb/s
10 Mb/s
1 Mb/s
100 kb/s
10 kb/s
1995 2000 2005 2010 2015
GSM GPRS
3G R99/EDGE HSDPA
WiMAX
HSPA LTE
Cellulaire (100 m)
LTE Advanced
802.11
802.11 b
802.11 a/g
802.11 n 802.11 ac/ad WLAN (10 m)
802.15.3 c USB 3.0
USB 2.0
UWB
USB 1.0
WPAN (1 m)
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1.3. Le retournement temporel Le retournement temporel (TR) a t
ind'un point source se propage dans un capteurs, numrise, retourne
temporesource en y reformant une impulsion braux communications
UWB, cette teconsidrable de la puissance reue danrception [7], [8].
Cette proprit dhypune configuration MIMO-MU (Multi-U retournement
temporel , on peut trdiffuseur, vers diffrents utilisateurs. Il et
assure une transmission scurise depour augmenter le dbit.
1.4. Les systmes en bande millimL'une des solutions les plus
promette(MMW). En particulier, la large bande courte porte. Cet
intrt est d galempar la prsence dobstacles (murs), cefrquences
leves conduisent utiliserECMA et VHT) ont t forms afin de[10].
Toutefois, ces bandes de frquenlemplacement des antennes, leffet de
l
2. Caractrisation et modlisationLa propagation des ondes
lectromagnraison de diffrents phnomnes tels quphnomnes de
propagation apparat co
Fig.
Dans ce cadre, diverses mtriques, telrponse impulsionnelle,
peuvent tre codans les domaines temporel et frquentde cohrence, le
temps de cohrence, domaine spatial permet dvaluer la discohrence du
canal. Par consquent, ncessaire pour la conception de systrseau
[3]. Dans ce contexte, la caractr
Emetteur Tx
Diffraction
nitialement dmontr en acoustique [6]: une impulsiomilieu inconnu
; une partie de cette onde est enreg
ellement, et renvoye dans le milieu de propagation.rve. Ce procd
tire parti des trajets multiples prsentechnique savre prometteuse
car elle permet dans les domaines spatial et temporel, simplifiant
ainsi per-focalisation conduit galement imaginer une coUser) [9].
En utilisant un rseau dantennes large baransmettre simultanment
diffrents messages, tras'agit d'une technique qui, non seulement
compense le
e l'information mais qui, plus encore, exploite la dive
mtriqueeuses pour atteindre le gigabit sans fil est
d'utiliser
autour de 60 GHz est adapte aux communications sment aux fortes
pertes de puissance en espace libre, oe qui permet de rutiliser
plus souvent les mmes fr des antennes et composants RF de petites
tailles. Dese normaliser les futurs systmes WPAN qui oprent dnce
sont particulirement affectes par certains paramlactivit humaine ou
du mobilier [11].
du canal de propagationntiques en radio mobile est caractrise
par la prsenue la rflexion, la rfraction, la diffraction et la
diffusiomme une tape importante lors de l'laboration d'un sy
2 Propagation des ondes par trajets multiples
les que l'attnuation avec la distance, la fonction deonsidres.
Pour les systmes large bande, l'analysetiel [12]. Cela permet de
mesurer certains paramtres
l'talement des retards et la dispersion Doppler. Despersion des
directions de dpart et darrive des ondune description prcise des
proprits spatiales et
mes large bande/multi-antennes, ainsi que pour lerisation et la
modlisation spatio-temporelle du canal a
Rflexion/Diffusio
Diffusion
Rflex
Rcepteur Rx
on ultrasonore brve mise gistre par un ensemble de . L'onde
reconverge sur sa ts dans le canal. Applique atteindre une
focalisation le traitement du signal en mmunication ralise dans
ande fonctionnant en mode avers un milieu fortement es
rverbrations du milieu ersit spatiale en rception
r les ondes millimtriques sans fil trs haut dbit et u qui
peuvent tre causes frquences. De mme, ces s groupes (IEEE
802.15.3c, dans la bande des 60 GHz mtres, tels que le type et
nce de trajets multiples en ion (Fig. 2). L'tude de ces ystme
sans fil.
e transfert du canal, ou sa e est gnralement ralise du canal,
tels que la bande e mme, lanalyse dans le
des ainsi que la distance de temporelles du canal est
e choix de la topologie du apparaissent essentielles.
n
xion/Rfraction
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3. Rsultats de mesures et de simulations Pour concevoir, simuler
et raliser ces nouveaux systmes de communications sans fil, il est
ncessaire davoir une connaissance la plus prcise possible sur la
propagation des ondes radiolectriques travers les canaux considrs.
Ainsi, plusieurs sondeurs originaux de canaux large bande ont t
conus et raliss au sein de lIETR (MIMO [13], UWB/TR [7] et 60 GHz
[14]). Des rsultats de mesures et de simulations seront prsents
pour diffrents types denvironnement de propagation (urbain,
lintrieur des btiments). De mme, de nouvelles techniques de
transmissions sont proposes et leurs performances sont analyses et
testes. Lanalyse de ces rsultats permet de discuter des possibilits
dintgration de ces nouvelles techniques de transmission sans fil
dans les futurs systmes de communication.
Conclusion Les nouveaux systmes de communications feront appel
de nouvelles techniques de transmission, qui peuvent ventuellement
tre combines entre elles. Dans cet article, les principales
caractristiques du canal de propagation sont analyses dans le cadre
impos par les nouvelles techniques de communications sans fil, pour
ensuite chercher en tirer parti notamment par des techniques de
diversit. Ces diffrentes techniques participent pleinement au
traitement de la congestion spectrale et l'avnement de
l'Ecoradio.
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