TH2012PEST1094_complete.pdf

7/23/2019 TH2012PEST1094_complete.pdf

1/235

THSEpour obtenir le grade de

DOCTEUR de lUniversit Paris-EstSpcialit : Electronique, Optronique et Systmes

Ecole doctorale n532 : Mathmatiques et Sciences et Technologies delInformation et de la Communication

Laboratoire ESYCOM, ESIEE Paris

Stphane MEBALEY EKOME

Etude et conception dune couche

physique UWB-IR pour les rseauxBAN

Dirige parPr. Genevive BaudoinCo-dirige parPr. Martine Villegas

Soutenue le 06 novembre 2012 devant le jury :

Pr. Atika Menhaj-Rivenq Universit de Valenciennes Rapporteuret du Hainaut-Cambrsis

Pr. Emil Novakov Universit Joseph Fourier RapporteurPr. Jean-Marc Laheurte Univ. Paris-Est Marne La Valle ExaminateurMarylin Arndt Orange Labs ExaminateurPr. Genevive Baudoin ESIEE Paris Directeur de thsePr. Martine Villegas ESIEE Paris Co-directeur de thse

Dr. Jean Schwoerer Orange Labs Encadrant de thse

tel00802397,v

ersion1

19Mar2013
http://hal.archives-ouvertes.fr/http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00802397


2/235

tel00802397,version1

19Mar2013


3/235

Remerciements

Je tiens tout dabord adresser mes remerciements et toute ma reconnaissance mes parents, Mr MEBALEY Barnab et Mme MEBALEY Blanche-Reine. Jeleur ddicace ce travail car il est le rsultat de leur soutien sans faille, de leurconfiance et de leurs encouragements tout au long de cette entreprise.

Je veux remercier chaleureusement mes encadrants de thse Mr Jean Schwoe-

rer, Mme Genevive Baudoin et Mme Martine Villegas pour leur patience, leurencadrement et leurs conseils aviss. Leur rigueur exceptionnelle ma contraint faire preuve dune prcision sans cesse accrue et leur confiance a t source demotivation dans les moments les moins faciles. Je vous dois ce travail et je ne vousremercierai jamais assez pour tout ce que vous mavez appris et apport, profes-sionnellement et humainement. Je remercie les Professeurs Atika Menhaj-Rivenqet Emile Nowakov pour lhonneur quils me font en acceptant dtre les rapporteursde mes travaux de thse, et pour lintrt manifest lgard de mon travail. Je re-mercie galement le Professeur Jean-Marc Laheurte ainsi que Mme Marylin Arndtpour leur participation au jury de soutenance et leurs contributions lvaluation

de mon travail.Jadresse ma reconnaissance mes Responsables dUnit de Recherche Orange

Labs, au dpart Marylin Arndt et par la suite Vincent Gimeno. Leur comprhen-sion et leur disponibilit quotidienne ont facilit aussi bien le droulement de mathse que mon sjour au sein de lentreprise.

Toute mon affection est adresse aujourdhui Marlne, pour sa prsence mes cts au quotidien et son soutien. Par sa prsence discrte elle a su tre unpilier sur lequel je me suis repos en de nombreux et multiples points. Merci toiqui a su veiller sur moi.

Jadresse une pense et une amiti profonde mes collgues de travail Orange

Labs, pour leur sympathie et la bonne ambiance dans le couloir, les parties de lasergame, de bowling, de volley, les encouragements, les conseils et aussi pour leur aide ;merci vous Benot, Bilel, Ahmed, Quentin, Dominique, Fred, David.

Je termine en remerciant galement tous ceux qui mont aid de prs ou de loin accomplir ce projet, ceux qui mont encourag et soutenu ; merci Guy, Dimitri,Mr Ndong, Tantine Roberta, Carinne, Ted, Harris, Frdrick, Latsatsa...

Stephane MEBALEY EKOME.

3


19Mar2013


4/235


19Mar2013


5/235

Rsum

Les rseaux lorigine mtropolitains, ont connu une tendance rtrcir pouraujourdhui se concentrer autour de ltre humain. Avec des quipements de plus enplus miniatures et les utilisateurs dsireux de disposer en permanence des servicesqui leur sont accessibles domicile, le rseau est envisag plus petit, plus prochedu corps. On assiste alors lmergence du rseau corporel, le Body Area Network

(BAN), qui est constitu dlments situs sur le corps, lintrieur ou encore unecourte distance. Ce rseau porte du corps gnre de nouvelles problmatiques,notamment celles de la puissance rayonne par les quipements, leur taille, leurpoids...

Les applications et usages envisags pour un tel rseau sont varis et couvrentplusieurs domaines dactivits, en loccurrence le secteur du mdical, du sport, etle multimdia. Ce rseau doit donc reposer sur une couche physique qui sadapteaux contraintes de ces diverses applications, tout en favorisant des quipements defaible taille, faible complexit et de forte autonomie.

La technologie Ultra Large Bande impulsionnelle (UWB-IR) est porteuse de

nombreuses promesses pour satisfaire en partie les besoins des rseaux BAN, carautorisant des dbits aussi bien rduits qulevs, et les architectures dmissionet rception utilisables pour cette technologie rendent possibles des quipements faible complexit et faible cot, et dont la consommation nergtique est rduite.

Ce travail de thse a dbut alors quun processus de normalisation sur lesBAN tait en cours. Lobjectif des travaux mens tait de pouvoir contribuer enpartie ce processus de normalisation par la proposition dune couche physiquebase sur la radio impulsionnelle UWB (UWB-IR). Ainsi notre tude a port surle paramtrage de cette couche physique partir de lanalyse des contraintes etrequis techniques dun rseau BAN. Les performances de cette couche physique ont

ensuite t values dans un contexte de canal UWB BAN et suivant le type dar-chitecture en rception, en particulier pour le rcepteur non-cohrent. Enfin, uneattention a t apporte sur la robustesse de la liaison en prsence dinterfrencesbande troite.

Dans lensemble, ce travail a permis dtudier et dvaluer la pertinence dunecouche physique UWB-IR dans le contexte du rseau BAN.

Mots cls : Couche physique, Ultra Large Bande (UWB), Body Area Network, r-cepteur cohrent, dtection dnergie, optimisation de performance, interfrence bandetroite, rjection dinterfrence.

5


19Mar2013


6/235


19Mar2013


7/235

Table des matires

Table des figures 11

Table des tableaux 15

Acronymes 17

Introduction gnrale 19

I Contexte et tat de lart 23

1 Radio impulsionnelle UWB 25

1.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2 Prsentation de lUWB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.2.1 Dfinition du signal UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.2.2 Historique de lUWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271.2.3 Rglementation de lUWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.2.4 Intrt de lUWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

1.3 Principe de la radio impulsionnelle ultra large bande : UWB-IR . . . . . . 331.3.1 Impulsion lmentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.3.2 Modulations associes lUWB-IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.3.3 Accs multiple au canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1.4 Systmes dmission UWB-IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421.4.1 Emetteur UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

1.4.2 Gnration dimpulsions UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.5 Rception des signaux UWB-IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

1.5.1 Rcepteur cohrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471.5.2 Rcepteur dtection dnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511.5.3 Rcepteur transmission de rfrence . . . . . . . . . . . . . . . . 541.5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

1.6 Couche physique IEEE802.15.4a-2007. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7


19Mar2013


8/235

TABLE DES MATIRES

1.7 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

2 Body Area Networks 63

2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632.2 Applications pour le BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

2.2.1 Domaine mdical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.2.2 Applications pour le sport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.2.3 Multimdia et le divertissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3 Normalisation du BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702.3.1 Spcifications techniques pour les BAN. . . . . . . . . . . . . . . . 702.3.2 Principes du canal UWB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.3.3 Caractrisation du canal UWB BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.3.4 Modles de canal BAN IEEE802.15.6 . . . . . . . . . . . . . . . . 80

2.3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862.4 Propositions de couche PHY UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.4.1 Proposition de Texas Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872.4.2 Proposition de IMEC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872.4.3 Proposition de Samsung-Etri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

2.5 Le BAN en France : le projet BANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922.5.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922.5.2 Objectifs viss du projet BANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922.5.3 Lapproche de BANET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932.5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

2.6 Problmatique et positionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932.7 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

II Proposition dune couche PHY UWB-IR pour le BodyArea Network 95

3 Spcification dune couche physique UWB pour les BAN 97

3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.2 Analyse du canal UWB BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.2.1 Paramtres statistiques des canaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.2.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033.3 Proposition dune couche PHY UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.3.1 Objectifs cibls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033.3.2 Travaux antrieurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1043.3.3 Priode de rptition de limpulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.3.4 Choix de la modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.3.5 Structure de la couche physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

8


19Mar2013


9/235

TABLE DES MATIRES

3.3.6 Bilan de liaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.4 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

4 Performances de la couche physique 1214.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.2 Principe de la simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.2.1 Outil de simulation C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.2.2 Conditions des simulations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.3 Performances avec le rcepteur cohrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.3.1 Performances thoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244.3.2 Influence du modle de canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.3.3 Influence du dbit des donnes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.3.4 Conclusion sur le rcepteur cohrent . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.4 Le rcepteur dtection dnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.4.1 Synchronisation avec le dtecteur dnergie . . . . . . . . . . . . . 1324.4.2 Dmodulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.4.3 Etude de la dure dintgration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434.4.4 Analyse des rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1474.4.5 Conclusion sur le dtecteur dnergie . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

4.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

III Gnralisation des performances et coexistence avecles systmes bande troite 155

5 Estimation des performances sur un canal UWB partir de lanalyse

sur un canal AWGN 157

5.1 Objectifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1575.2 Principe de lapproche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1575.3 Simulation sur le trajet principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.3.1 Conditions optimales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1585.3.2 Analyse sur les ralisations du canal UWB BAN . . . . . . . . . . 1595.3.3 Rsultats sans les trajets secondaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

5.4 Prise en compte des trajets secondaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

5.4.1 Modle CM3 : influence des trajets secondaires . . . . . . . . . . . 1675.4.2 Gnralisation des performances en incluant les trajets secondaires 1725.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

6 Lutte contre linterfrence bande troite 179

6.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.2 Interfrences potentielles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

6.2.1 Interfrences bande troite dans les frquences UWB . . . . . . . . 180

9


19Mar2013


10/235

TABLE DES MATIRES

6.2.2 Le Wimax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1816.3 Systme en prsence de NBI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

6.3.1 Modlisation de linterfrence bande troite . . . . . . . . . . . . . 1846.3.2 Performances thoriques en absence dIPI . . . . . . . . . . . . . . 1846.3.3 Performances thoriques en prsence dIPI . . . . . . . . . . . . . . 1886.3.4 Rsultats de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1896.3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

6.4 Mthodes de lutte contre le NBI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1926.4.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1926.4.2 Mthodes prventives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1926.4.3 Mthodes correctives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1956.4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

6.5 Nouvelle mthode de lutte contre linterfrence bande troite. . . . . . . . 200

6.5.1 Principe gnral de localisation du NBI . . . . . . . . . . . . . . . 2016.5.2 Elments darchitecture du rcepteur . . . . . . . . . . . . . . . . . 2026.5.3 Procd de dtection et suppression du NBI . . . . . . . . . . . . . 2026.5.4 Evaluation du procd de lutte contre le NBI . . . . . . . . . . . . 208

6.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

Conclusion gnrale 215

Publications de lauteur 223

Bibliographie 225

10


19Mar2013


11/235

Table des figures

1.1 Bandes partielles pour le MB-OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.2 Systmes radio prsents dans les bandes UHF et SHF. . . . . . . . . . . . 291.3 Masques dmission des signaux UWB autoriss en Europe (ECC) et aux

Etats-Unis (FCC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.4 Impulsion gaussienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331.5 Reprsentations de limpulsion gaussienne et ses 3 premires drives . . . 341.6 Modulation PAM 4 tats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361.7 Impulsions modules en OOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361.8 Impulsions module en PPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371.9 Impulsions modules en BPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381.10 Impulsions modules en DBPSK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.11 Constellation des modulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.12 Symbole dimpulsions modules en TH-PPM . . . . . . . . . . . . . . . . 41

1.13 Illustrations dun symbole en squence directe . . . . . . . . . . . . . . . . 421.14 Principe dun metteur UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431.15 Gnrateur dimpulsion SRD rglable par diode PIN . . . . . . . . . . . . 441.16 Gnrateur dimpulsion CMOS 9pJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.17 Gnrateur du monopulse de Scholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461.18 Rcepteur cohrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471.19 Quelques variantes du rcepteur rake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491.20 Architectures de rception non cohrente dtection dnergie. . . . . . . 521.21 Influence de la dure dintgration sur la probabilit derreur pour un

dtecteur dnergie et une modulation OOK . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1.22 Influence de la position de la fentre dintgration . . . . . . . . . . . . . . 551.23 Rcepteur non cohrent autocorrlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561.24 Structure de couche PHY de la norme 802.15.4-2007 . . . . . . . . . . . . 59

2.1 Rseau BAN avec son coordinateur (mobile) . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.2 Rseau BAN pour les applications mdicales . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.3 Rseau BAN pour les applications lies au sport. . . . . . . . . . . . . . . 682.4 Communications multimdia dans un BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

11


19Mar2013


12/235

TABLE DES FIGURES

2.5 Schma du canal de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.6 Canal de propagation suivant le modle S-V . . . . . . . . . . . . . . . . . 742.7 Exemples de ralisations des modles CM1 CM4 . . . . . . . . . . . . . 762.8 Path loss sur le torse suivant la distanceTx Rx . . . . . . . . . . . . . . 782.9 Effet des rflexions dans une chambre dhpital . . . . . . . . . . . . . . . 792.10 Liaisons entre lments du BAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802.11 Comparaison du PL en fonction de la distance. . . . . . . . . . . . . . . . 832.12 Exemple de ralisation du canal CM3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842.13 Structure de la couche PHY de Ti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882.14 Couche PHY de IMEC en mode BPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 892.15 Mode concatn de la couche PHY de IMEC. . . . . . . . . . . . . . . . . 902.16 Porte du mode concatn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902.17 Modulation GPPM pour trois symboles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.1 Ralisations du modle CM4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993.2 Statistiques du modle CM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1003.3 Statistiques du modle CM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.4 Reprsentation dun temps symbole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053.5 Comparaison des performances sur les canauxCM1los IEEE802.15.4a et

CM3 BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.6 Choix dune PRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.7 Modulation hybride BPPM-BPSK-OOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083.8 Exemple de symboles en modulation PPM-BPSK-OOK . . . . . . . . . . 109

3.9 Constellation de la modulation BPPM-BPSK . . . . . . . . . . . . . . . . 1113.10 Structure de la couche physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1133.11 Schma de lmetteur-rcepteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.1 Elments du simulateur de transmission UWB. . . . . . . . . . . . . . . . 1224.2 Dmodulation avec le rcepteur cohrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264.3 Courbes pour la modulation BPPM-BPSK,S N R= Es/N0 . . . . . . . . 1294.4 Rsultats pour les 10 ralisations du CM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1304.5 Comparaison des performances pour les divers canaux . . . . . . . . . . . 1304.6 Variation des performances avec le dbit, canal CM3 BAN . . . . . . . . . 1314.7 Principe de synchronisation du dtecteur dnergie . . . . . . . . . . . . . 1334.8 Sortie des intgrateurs en synchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.9 Principe de dcision du dtecteur dnergie. . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.10 Illustration des IPI pour Tg > Tf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.11 Estimation de lnergie dans le canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414.12 Energies accumules pour une CDF 10% . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1454.13 TEB en fonction de la dure dintgration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1464.14 Influence de Ti sur un canal AWGN, Nf = 11, W = 2GHz . . . . . . . . . 148

12


19Mar2013


13/235

TABLE DES FIGURES

4.15 Influence de Ti sur les canaux UWB BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1494.16 Influence du nombre de trames sur canal AWGN . . . . . . . . . . . . . . 1514.17 Comparaison des deux rcepteurs pour Nf = 11 . . . . . . . . . . . . . . . 152

5.1 Performance pour le CM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1625.2 Performances pour le CM41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.3 Performances pour le CM42 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1645.4 Performances pour le CM43 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1655.5 Performances pour le CM44 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665.6 Approximation gnrale des canaux UWB BAN . . . . . . . . . . . . . . . 1675.7 Estimation des Performances pour le CM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.8 Estimation des Performances pour le CM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1705.9 Estimation des Performances pour le CM3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

5.10 Influence des trajets secondaires-1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1745.11 Influence des trajets secondaires-2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

6.1 Applications radio de 3 5GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1816.2 Applications radio de 5 7.75GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1816.3 Applications radio de 7.75 12.2GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1826.4 Signal reu en prsence de nbi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1836.5 Probabilit derreur en fonction du SIR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1916.6 Evolution du taux derreur suivant le SNR et le SIR . . . . . . . . . . . . 1916.7 Creux dans le spectre avec les fonctions APSWF . . . . . . . . . . . . . . 1936.8 Suppression de sous-porteuse dans la mthode MRTW . . . . . . . . . . . 195

6.9 Boucle de retour dans un rcepteur TR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1986.10 Dtecteur dnergie avec banc de corrlations . . . . . . . . . . . . . . . . 1996.11 Detecteur dnerigie avec loprateur Teager-Kaiser . . . . . . . . . . . . . 2006.12 Signal reu avec une interfrence bande troite . . . . . . . . . . . . . . . 2016.13 Nouvelle architecture de dtection et suppression du NBI. . . . . . . . . . 2026.14 Algorithme de traitement du NBI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2036.15 Transposition du signal reu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2056.16 Portions successives filtres dans le signal reu. . . . . . . . . . . . . . . . 2066.17 Ajustement de la bande de filtrage du notch . . . . . . . . . . . . . . . . . 2076.18 Bloc de filtrage modifi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

6.19 Reprsentation des ples et zros du filtre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2096.20 Signal transpos et filtr 4GHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2106.21 Rsultat des itrations de la phase 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2126.22 Evaluation du processus de lutte contre le NBI . . . . . . . . . . . . . . . 213

13


19Mar2013


14/235


19Mar2013


15/235

Liste des tableaux

1.1 Canaux de la norme 802.15.4a-2007 et paramtres associs . . . . . . . . . 581.2 Dbits possibles avec la couche PHY de la norme 802.15.4a-2007 . . . . . 60

2.1 Canaux IEEE802.15.4a-2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.2 Modles de canal BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.3 PDP du modle CM3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 842.4 Profil de dcroissance de Puissance du canal CM4. . . . . . . . . . . . . . 85

3.1 Statistiques des canaux UWB BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.2 Codage des donnes sur 3 bits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103.3 Variation du dbit suivant le nombre de tramesNfdans le symbole . . . . 1153.4 Squences impaires des codes de Barker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1163.5 Bilans de liaison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

4.1 Paramtres doptimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

5.1 Caractristiques des canaux UWB BAN utiliss . . . . . . . . . . . . . . . 1605.2 Caractristiques des canaux CM3 UWB BAN utiliss . . . . . . . . . . . . 1685.3 Valeurs moyennes de lnergie dans les trajets secondaires pour les canaux

UWB BAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

6.1 Potentielles interfrences bande troite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1806.2 Synthse des variations du IEEE802.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1836.3 Coefficients du filtre notch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

15


19Mar2013


16/235


19Mar2013


17/235

Acronymes

ADC :Analog to Digital Converter.AWGN :Additive White Gaussian Noise.BAN :Body Area Network.BER :Bit Error Rate.BPSK :Binary Phase Shift Keying.CAN :Convertisseur Analogique Numrique.CDMA :Code Division Multiple Access.CEPT :Confrence Europenne des Administrations des Postes et Tlcommunications.DAA :Detect And Avoid.DAC :Digital to Analog Converter.DBPSK :Differential Binary Phase Shift Keying.DECT :Digital Enhanced Cordless Telephone.DSP :Densit Spectrale de Puissance.DS-SS :Direct Sequence Spread Spectrum.ECC :Electronic Communications Committee.EIRP :Equivalent Isotropically Radiated Power.ETSI :European Telecommunications Standards Institute.DS-UWB :Direct Sequence Ultra Wideband.FCC :Federal Communications Commission.FDMA :Frequency Division Multiple Access.FEC :Forward Error Correction : codage de correction derreur.FFT :Fast Fourrier Transform.IEEE :Institute of Electrical and Electronis Engineers.IFFT :Inverse Fast Fourier Transform.IPI :Inter-Pulse Interference.ISI :Inter-Symbols Interference.ISM :Industrielle, Scientifique et Mdical.ITU :International Telecommunication Union.LAN :Local Area Network.LDC :Low Duty Cycle.MAC :Medium Access Control.

17


19Mar2013


18/235

ACRONYMES

MB-OFDM :Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing.MICS :Medical Implant Communication Service.NBI :Narrow Band Interference.OFDM :Orthogonal Frequency Division Multiplexing.OOK :On-Off Keying.PAM :Pulse Amplitude Modulation.PRC :Pseudo-Random Code.PSK :Phase Shift Keying.(B)PPM :(Binary) Pulse Position Modulation.QAM :Quadrature Amplitude Modulation.QPSK :Quadrature Phase Shift Keying.RSB :Rapport Signal sur Bruit.SER :Symbol Error Rate.

SHF :Super Haute Frquence.SINR :Signal to Interference and Noise Ratio.SIR :Signal to Interference Ratio.SNR :Signal to Noise Ratio.TDMA :Time Division Multiple Access.TEB :Taux dErreur Binaire.TES :Taux dErreur Symbole.UHF :Ultra Haute Frquence.UMTS :Universal Mobile Telecommunications System.UNII :Unlicensed National Information Infrastructure.

UWB :Ultra Wideband.UWB-IR :Ultra Wideband Impulse Radio.VCO :Voltage Controlled Oscillator.WBAN :Wireless Body Area Network.WiFi :Wireless Fidelity.WLAN :Wireless Local Area Network.WMAN :Wireless Metropolitan Area Network.WPAN :Wireless Personal Area Network.

18


19Mar2013


19/235

Introduction gnrale

Le dveloppement rapide des capteurs physiologiques, des circuits intgrs de faiblepuissance et des communications sans fil a permis lmergence dune nouvelle gnration

de rseaux de capteurs sans fil. Ces rseaux de capteurs sans fil sont utiliss pour lecontrle dactivits diverses, le divertissement ou encore la sant. Le rseau corporel estun domaine interdisciplinaire visant un champ dapplications trs large, et qui pourraitpermettre, dans le domaine de la sant par exemple, un suivi continu et faible cotdes patients, avec des mises jour en temps rel des dossiers mdicaux. Ainsi, un certainnombre de capteurs physiologiques peuvent tre intgrs dans un rseau sans fil corporel,qui peut tre utilis pour lassistance de patients par ordinateur distant ou la dtectionprcoce des troubles mdicaux. Cela demeure toutefois conditionn par la ralisation detrs petits capteurs biologiques et leur implantation lintrieur du corps humain sansque cela nentrave le fonctionnement normal de lorganisme.

Les capteurs implants dans le corps permettent de recueillir diverses informationsphysiologiques afin de surveiller lvolution de ltat de sant du patient quelque soit len-droit o ce dernier se trouve. Les informations rcoltes sont transmises une unit detraitement externe, le dispositif permettant alors de transmettre instantanment toutesles informations en temps rel aux mdecins travers le monde. Si une situation dur-gence est dtecte, les mdecins peuvent immdiatement en informer le patient laidedu systme informatique, en lui envoyant des messages appropris ou des alarmes. Latechnologie actuelle se trouve dans sa phase primitive et ne permet pas de bnficier plei-nement du potentiel des rseaux corporels ou Body Area Networks (BAN) qui, lorsquilsseront rels et dploys, permettront la concrtisation et lamlioration de concepts telsque la tlmdecine. Pour exister, Les rseaux BAN doivent sappuyer sur une technologie

de faible cot mme de satisfaire les contraintes des diffrentes applications envisages.

La dernire dcennie a connu lmergence dune technologie, lUltra Large Bande(ULB) dit Ultra Wideband (UWB) en anglais, qui a sduit le monde des chercheurset industriels en rseaux parce quelle rendait thoriquement possible des communi-cations trs haut dbit, tout en favorisant des transmissions des puissances trsrduites. LUWB a ainsi connu deux principaux cadres de normalisation, notammentIEEE802.15.3a finalement abandonn, et IEEE802.15.4a-2007 visant dfinir une alter-

19


19Mar2013


20/235

INTRODUCTION GENERALE

native la couche physique 802.15.4 (Zigbee) destine aux rseaux personnels. Les atoutset avantages qui ont suscit un intrt pour la technologie UWB en ont fait une candi-date naturelle pour la couche physique lors du call for proposals lanc par le groupede travail IEEE802.15.6 . Cet appel propositions sinscrivait alors dans le cadre dunenormalisation sur les rseaux corporels, dits Body Area Networks.

Le laboratoire TECH/MATIS/IDEA (devenu par la suite TECH/MATIS/CITY)dOrange Labs qui avait dj contribu au processus de normalisation IEEE802.15.4a-2007 a voulu poursuivre son activit UWB au travers de ce nouveau processus de nor-malisation IEEE802.15.6 . Un partenariat a alors t initi avec le laboratoire ESYCOMpour effectuer une recherche sur les moyens mettre en place pour que la technologie radio impulsionnelle UWB puisse rpondre aux besoins des rseaux BAN.

Contributions et plan du document

Lobjectif de cette thse est de proposer une couche physique UWB-IR 1 pour lesrseaux BAN, avec des contraintes de faible complexit et faible cot. Les travaux pr-sents travers ce manuscrit abordent la problmatique en trois phases dont la premireconsiste en une prsentation de ltat de lart sur la technologie UWB et les rseauxBAN. Le premier chapitre prsente une tude bibliographique qui trace lhistorique etles principes de la radio impulsionnelle UWB. Nous abordons par consquent les modu-lations, les mthodes daccs ainsi que les caractristiques du canal UWB utilis pourles rseaux de capteurs. Nous prsentons de plus les architectures gnralement utilises

pour la transmission mais surtout la rception dun signal UWB. Le parcours de tous ceslments est dterminant dans les choix effectus par la suite pour la proposition dunecouche physique UWB-IR.

Pour introduire le contexte dutilisation de lUWB-IR, le chapitre2donne un aperude la thmatique des rseaux BAN. Les applications pour ce rseau sont multiples etproviennent de divers domaines dactivits ; nous exposons par consquent les contraintesvaries relatives ces applications et suivant le domaine dactivits concern. Par la suitenous abordons le processus de normalisation IEEE802.15.6 qui a tabli entre autres unmodle de canal UWB autour du corps humain. Ce chapitre prsente galement quelquesunes des propositions de couche physique intervenues dans le cadre de la normalisation

IEEE802.15.6 , et nous terminons le chapitre en prsentant ltude du BAN en Francepar le biais du projet ANR BANET.

La deuxime partie du manuscrit porte sur la dfinition dune couche physique UWB-IR adapte aux exigences du BAN. Nous appuyant sur les contraintes du rseau BANainsi que les caractristiques dune communication UWB, nous justifions et proposonsune structure de couche physique UWB-IR dans le chapitre3. A laide de simulations nu-

1. Ultra Wideband Impulse Radio

20


19Mar2013


21/235

INTRODUCTION GENERALE

mriques, nous valuons dans le chapitre4les performances accessibles avec notre couchephysique. Suivant les objectifs de faible complexit cibls pour notre proposition, nousmettons un accent sur les rsultats obtenus avec un rcepteur non cohrent dtectiondnergie et proposons une analyse permettant den optimiser les performances via larduction de sa fentre dintgration.

La troisime partie du travail clture lanalyse de notre proposition de couche phy-sique travers une tude sur la robustesse de systmes UWB en prsence dautressystmes sans fil. Tout dabord, nous proposons dans le chapitre 5 de gnraliser lesperformances du dtecteur dnergie; nous introduisons ainsi une solution permettantde dduire les performances de ce rcepteur avec un canal multi-trajets, partir dunetude analytique avec un canal gaussien. Par la suite, le chapitre6 prsente notre tudesur la coexistante du systme UWB avec les systmes bande troite susceptibles dtre

sources dinterfrences nuisibles. Nous y exposons les mthodes extraites de la littratureet qui permettent de lutter contre cette interfrence, puis nous prsentons une approcheindite qui renfonce le dtecteur dnergie en prsence dune interfrence bande troite.

En rsum, les contributions majeures et originales des travaux prsents dans cettethse sont :

Une synthse du contexte des rseaux corporels BAN. La spcification dune couche physique UWB-IR adquate pour les rseaux BAN. Lanalyse des performances du dtecteur dnergie dans un contexte dinterfrences

inter-impulsions.

Une dmonstration de loptimisation des performances du dtecteur dnergie laide des fentres dintgration courtes.

La proposition dune approche analytique permettant ltude des performances dudtecteur dnergie avec un canal multitrajets.

Un processus performant de lutte contre linterfrence bande troite pour un sys-tme UWB, associ une architecture non cohrente modifie mais toujours defaible complexit.

Lensemble de ces contributions a donn lieu une proposition en normalisationIEEE802.15.6 , des contributions divers livrables du projet ANR BANET, diversescommunications (4 internationales et 2 nationales) ainsi quun brevet international ; ces

contributions sont prsentes en page223

21


19Mar2013


22/235


19Mar2013


23/235

Premire partie

Contexte et tat de lart

23


19Mar2013


24/235


19Mar2013


25/235

CHAPITRE

1 Radio impulsionnelleUWB1.1 Introduction

La radio impulsionnelle ultra-large bande (ULB), ou ultra-wide band (UWB) enanglais, a t introduite en 1993, lors de la publication des travaux de Robert Scholtz dansla confrence Milcom[1]. Cependant, lutilisation de limpulsion pour la transmission de

linformation est bien antrieure cette date. En effet, la radio impulsionnelle trouve sesfondements dans les principes des systmes radars, avec entre autres la parution dans lesannes 70 de publications sur les travaux de Harmuth et Ross portant sur le rayonnementdimpulsions lectromagntiques[2], [3]. A travers ce chapitre nous parcourons les basesde la radio impulsionnelle. Aprs un bref historique sur les origines de lUWB et sonintroduction dans le monde des radiocommunications, nous prsentons la rglementationqui la rgit dans les principaux pays, puis nous terminons par les fondements de cettetechnologie. Pour cela, nous nous intressons limpulsion comme moyen de transmission,et nous explorons ses atouts ainsi que les moyens existants qui lui permettent de vhiculerde linformation.

1.2 Prsentation de lUWB

1.2.1 Dfinition du signal UWB

La notion de signal ultra large bande soppose celle de signal bande troite. Enbande troite, le signal peut tre mis de faon continue ou non, et toute sa puissance estcontenue dans une portion troite du spectre. A loppos, le signal UWB occupe une trsgrande largeur de bande. Dans la littrature, un signal est dit UWB sil satisfait lune

des conditions suivantes : une largeur de bande relative -10 dB > 20 % de la frquence centrale une largeur de bande absolue -10 dB > 500 MHz

La bande de signal absolue correspond lintervalle entre les frquences des pointssitus -10dB de la frquence de puissance maximale Fm. Les limites basses et hautessont respectivement dsignes par FL etFHet la frquence centrale vaut FC =

FL+FH2 .

La bande relative correspond quant- elle 2 FHFLFL+FH.

25


19Mar2013


26/235

Chapitre 1 :Radio impulsionnelle UWB

Cependant, cette dfinition du signal UWB est assez large, il est donc possible desatisfaire de diverses manires les conditions dfinies ci-dessus et on distingue entre autresles moyens suivants :

la radio impulsionnelle (UWB-IR 1) qui consiste mettre en bande de base unsignal de faible rapport cyclique constitu dimpulsions de trs courte dure. Celadonne naturellement une grande largeur de bande au signal car avec une dureinfrieure 2ns le critre sur la largeur de bande absolue est vrifi.

la modulation sur des rampes de frquence (chirp modulation) utilise pour laconception des radars.

ltalement de spectre squence directe (DS-SS 2) qui utilise une squence de codepseudo-alatoire dtalement dont le dbit et la frquence permettent de satisfaireles conditions de dfinition dun signal UWB.

le MB-OFDM 3 qui est une approche bandes multiples, et qui utilise la subdivi-

sion du spectre FCC 4 en 14 bandes partielles de 528MHz chacune. Dans chaquebande partielle, le signal OFDM 5 est rparti dans 100 porteuses bande troitemodule chacune en BPSK 6 ou QPSK 7.Cette configuration favorise une flexibi-lit du spectre radio car pour limiter les interfrences dans une bande dfinie, il estpossible dinterdire une ou plusieurs porteuses. Les bandes frquentielles tabliespour le MB-OFDM sont prsentes sur la figure1.1 [4].

Figure 1.1 Bandes partielles pour le MB-OFDM [4]

La gestion des utilisateurs multiples seffectue par lattribution de bandes partielles,et dans un groupe de bandes partielles, les utilisateurs sont grs par une techniquede codes temps-frquence. La communication dun utilisateur est ainsi rgule avec

1. Ultra Wideband Impulse Radio2. Direct Sequence Spread Spectrum

3. Multiband Orthogonal Frequency Division Multiplexing

4. Federal Communications Commission, administration amricaine qui gre la ressource spec-

trale destine un usage commercial, industriel ou personnel

5. Orthogonal Frequency Division Multiplexing

6. Binary Phase Shift Keying

7. Quadrature Phase Shift Keying

26


19Mar2013


27/235


un passage rgulier dune bande une autre selon un cycle denviron 1set le pas-sage dune bande lautre est dfini par le code temps-frquence propre chaqueutilisateur [5].

LUWB a suscit un grand intrt par le fait quelle permet datteindre de trs grandsdbits de transmission. Cet intrt sappuie sur la formule de Shannon portant sur lacapacit dun canal de communication gaussien (AWGN) :

C=B log2(1 + S

N) (1.1)

O Cest la capacit du canal exprime en bits/s, B est la largeur de bande du canalexprime en Hertz (Hz) etS/Nest le rapport signal bruit (RSB ou SNR 8). Cette qua-tion met en vidence une relation logarithmique entre capacit et RSB, tandis quelle estlinaire entre capacit et largeur de bande B.

1.2.2 Historique de lUWB

Lhistoire de lUWB est associer lutilisation dimpulsions dans le domaine tem-porel qui dbuta il y a une cinquantaine dannes, avec les premires recherches autourdes applications radars. Ainsi, la terminologie UWB dsigne au dpart des formes dondesans porteuses (carrier-free) faites dimpulsions de dure trs courte (


28/235


permettant des approches de typesaut temporelet la gestion des usagers multiples, ainsiquune transmission possible sans porteuse qui simplifie larchitecture des systmes radio.

1.2.3 Rglementation de lUWB

Suivant les rgions du globe, des disparits notables apparaissent concernant la r-partition du spectre des radiofrquences pour lUWB. Chaque pays ou rgion a tablisa propre rglementation de lUWB, en fonction des critres de coexistence dfinis pourprvenir les interfrences sur les systmes dj existants. Pionniers de la recherche dansle domaine, les tats-Unis ont t les premiers adopter une normalisation sur lUWB.

Rglementation aux Etats-Unis

En 1998, la Federal Communications Commission (FCC), organisme charg de largulation du spectre non militaire aux Etats-Unis, a entam le processus de rgulationde lUWB. Lors de ce processus qui sest achev en fvrier 2002, la FCC a consenti lUWBpour les applications dans les domaines suivants :

Les systmes dimagerie (radars pntration terrestre-GPR, les radars pn-tration dans ou travers les murs, les dispositifs de surveillance et dimageriemdicale)

Les radars de vhicules Les communications (la voix, la vido et les transmissions de donnes de courte

porte)

Au terme de son tude qui a dur prs de 4 ans, la FCC a tabli une srie de gabaritsqui dfinissent les limites en puissance dmission pour chaque catgorie dapplications.Pour les Etats-Unis ainsi que les autres rgions, nous nous intresserons principalementau masque dmission pour les communications.

Pour adresser le domaine des communications, la FCC a retenu deux bandes de fr-quences non soumises licence, notamment les frquences infrieures 900MHz et cellescomprises entre 3.1GHz et 10.6GHz[9]. Pour la bande de frquences de largeur 7.5GHz([3.1 10.6] GHz), la FCC autorise une puissance EIRP 9 moyenne de -41.3dBm/MHz(cela quivaut environ 74nW/MHz) comme prsent en figure 1.3.De plus, la valeurde la puissance crte pour une bande de 50MHz est dfinie 0dBm; la puissance crtemaximale est dfinie ici comme la puissance intgre dans la bande de frquence 50MHz,centre sur la frquence laquelle le maximum de puissance est rayonn.

9. Equivalent Isotropically Radiated Power

28


19Mar2013


29/235


De nombreux systmes licencis ou non se retrouvent prsents dans les bandes UHF 10

et SHF 11 propices au dploiement de systmes radio ; de fait, la grande largeur de bandedes signaux UWB ncessite une rglementation stricte de leur spectre dmission. Commeon peut le voir sur la figure1.2[10,11], on retrouve dans les frquences voisines de cellesde lUWB des systmes radio tels que le GSM(900MHz), DCS(1.8MHz), le GPS autourde 1.5GHz, et dans la bande ISM 12 on retrouve les systmes Bluetooth, WiFi et DECT 13

entre autres. Pour la Bande UNII 14 cest le WiFi (IEEE802.11a) et le systme Hiperlan.

Figure 1.2 Systmes radio prsents dans les bandes UHF et SHF [10,11]

Rglementation dans le reste du monde

LAsie et LEurope ont mis plus de temps tablir une rglementation dans leurrgion, et elles ont bas leur travail sur ltude mene par les amricains. En Europe,cest lECC (Electronic Communications Committee), division de la CEPT 15,qui a tmandate par lITU 16 pour prendre en charge ce processus de normalisation [12], ettrouver une rgle commune aux pays membres. LEurope et lAsie ont considr la mmeportion de spectre que les USA pour les systmes UWB, cependant elles nont pas attribuune densit spectrale de puissance (dsp) uniforme sur tout le spectre.

LEurope a ainsi divis les 7.5GHz de spectre en sous-bandes en vue de mieux tenir

compte des phnomnes dinterfrence et de coexistence dans chacune delle. Les mesures10. Ultra Haute Frquence

11. Super Haute Frquence

12. Industrielle, Scientifique et Mdicale

13. Digital Enhanced Cordless Telephone

14. Unlicensed National Information Infrastructure

15. Confrence Europenne des administrations des Postes et Tlcommunications

16. International Telecommunication Union

29


19Mar2013


30/235


de protection prises lgard des systmes dj existants savrent ainsi bien plus restric-tives que celles de la FCC, avec une volont europenne de mieux protger les systmescompris dans les bandes UNII autour de 5GHz tels que le Wi-Fi (802.11) ou le WiMax.

Deux rgions de spectre peuvent tre caractrises dans le masque europen, la bandedes frquences infrieures comprises dans lintervalle [3.1-4.8]GHz, et la bande des fr-quences suprieures contenues dans lintervalle [6-8.5]GHz. Dans la bande suprieure,la limite en dsp 17 moyenne est de -41.3dBm/MHz comme aux USA et en dehors decette bande, la dsp varie entre -90dBm et -65dBm. Lexception est faite pour la bandeinfrieure o la dsp peut tre admise -41.3dBm/MHz sous contrainte dutiliser des m-thodes de limitation dinterfrence. Une des mthodes retenues est le DAA (Detect AndAvoid) consistant ne pas mettre si lon dtecte quun systme met dj ; on retrouvegalement le LDC (Low Duty Cycle) qui se caractrise par deux principes :

Lquipement UWB nmet pas plus de 5ms en continu,

Le ratio entre la dure dmission cumule Ton et la dure de silence cumule Toffnexcde pas 5% sur une seconde et 0.5% sur une heure.

La figure1.3 [13] prsente les masques dmission de la FCC et de lECC, en mi-lieu indoor. De plus amples informations sur la rglementation europenne peuvent tretrouves dans le document[12]. De son ct, le Japon a galement dfini sa bande hautecomprise dans lintervalle [7.25-10.6]GHz, ce qui implique que sur les 7.5GHz allous lUWB, seuls 1.25GHz ([7.25-8.5]GHz) sont communs aux trois rgions USA, Japon etEurope, pour une dsp de -41.3dBm/MHz lmission.

1.2.4 Intrt de lUWB

Dans un contexte de demande croissante de systmes de communications trs hautdbit, les technologies radio prsentant une large bande permettent de proposer des dbitsadquats. Dans [10], on retrouve une bonne synthse des caractristiques qui ont suscitun intrt croissant port la technologie UWB :

Une excellente rsolution temporelle :Du fait dune trs grande largeur de bande des signaux UWB, ils disposent duntrs fort pouvoir de rsolution temporelle, de lordre de la nanoseconde. Lintrtde cette proprit peut tre exploit pour la localisation, avec une prcision de

quelques cm qui peut tre obtenue sur la position dun objet.

Une forte robustesse face aux vanouissements :Cette proprit est issue des trajets multiples qui constituent le canal de pro-pagation, et qui peuvent tre additionns de faon constructive. Cela confre ausystme UWB une bonne robustesse face aux vanouissements associs aux tra-

17. Densit Spectrale de Puissance

30


19Mar2013


31/235


Figure 1.3 Masques dmission des signaux UWB autoriss en Europe (ECC)

et aux Etats-Unis (FCC) [13]

jets multiples, et gnralement rencontrs dans les systmes bande troite. Cettecombinaison des trajets multiples augmente cependant la complexit dimplmen-tation, comme nous le verrons par la suite avec les rcepteurs rake(figure1.18).

Une faible densit spectrale de puissance :La FCC a limit la densit spectrale de puissance des signaux UWB -41.3dBm/MHz, dans loptique de favoriser la coexistence de lUWB avec dautres tech-nologies radio bande plus troite. Bien quelle amliore la discrtion des commu-nications radio, cette faible puissance dmission rduit la porte des signaux UWB.

Rduction de la sensibilit au brouillage :Le faible niveau de leur puissance dmission rduit la nuisance des systmes UWBsur les autres systmes. Nanmoins, le brouillage occasionn par les systmes bande troite sur les signaux UWB peut tre attnu du fait de la grande largeur

de bande.

Une relative simplicit des systmes :Contrairement aux architectures classiques qui ncessitent des oscillateurs et destranspositions en frquence pour transmettre le signal, les systmes UWB impul-sionnels peuvent transmettre sur le canal radio des signaux impulsionnels gnrsen bande de base. Au niveau de limplmentation, cela favorise des architecturesUWB moins complexes que les systmes radio conventionnels. Il devient en effet

31


19Mar2013


32/235


possible de mettre en uvre des metteurs-rcepteurs radio impulsionnelle UWB(UWB-IR) qui sont dpourvus de synthtiseur boucle de verrouillage de phase, deVCO18 ou encore de mlangeur. Cette simplification favorise de fait la ralisationde systmes avec des cots de fabrication rduits tels que les dtecteurs dnergie(figure1.20(a)) ou denveloppe (figure1.20(b)).

De bonnes proprits de pntration des obstacles dans la bande basse :Des applications telles que la vision au travers des murs, la poursuite dobjet ou lalocalisation peuvent bnficier dune excellente rsolution, en particulier pour lesfrquences basses.

1.2.5 Conclusion

Les fondements de lUWB datent du XXme sicle, avec un intrt particulier de lacommunaut scientifique ds le dbut des annes 70. Aujourdhui, cest une technologieenvisage pour divers types dusage, et plusieurs moyens peuvent tre utiliss pour gnrerun signal ultra large bande selon lun des deux critres dfinis par la FCC. En matirede rglementation, les contraintes et dispositions spectrales de chaque pays ou rgion ontentran une certaine disparit en ce qui concerne les frquences et puissances dmissiondes systmes UWB. Cette varit de la rglementation peut avoir un impact ngatif sur ledveloppement des quipements utilisant cette technologie. En effet, contrairement auxquipements conus pour des technologies bnficiant dune uniformit rglementaire

mondiale et qui peuvent tre commercialiss dans nimporte quelle rgion, les systmesUWB devront tre conus pour une rgion donne, suivant les contraintes locales. Adfaut, les fabricants devront concevoir des quipements pouvant sadapter chaquergion o ils sont utiliss ; cela complexifie larchitecture des quipements, facteur pouvanten augmenter le cot, voire la taille. Or, nous verrons par la suite que la dimension desquipements est parfois une contrainte stricte et dterminante dans le choix de solutionsde conception.

Nous avons vu quil est possible par dfinition de gnrer un signal UWB laidedu multi-bande OFDM dont lun des atouts majeurs est de permettre des transmissions des dbits levs de plusieurs centaines de Mbps. Cependant, cette mthode requiert

des architectures labores aussi bien en mission quen rception. Le contexte de cetravail ncessite, nous le verrons au chapitre 2, que nous ayons plutt recours dessystmes les plus simples possibles. Par consquent, nous nous intressons lutilisationde lUWB impulsionnelle en tlcommunications. La suite de ce chapitre prsente ainsiles principes de la radio impulsionnelle et les outils requis pour sen servir dans le cadredune transmission dinformation.

18. Voltage-Controlled Oscillator : oscillateur contrl en tension

32


19Mar2013


33/235

1.3 Principe de la radio impulsionnelle ultra large bande : UWB-IR

1.3 Principe de la radio impulsionnelle ultra large

bande : UWB-IR

La radio impulsionnelle repose sur lmission de signaux de trs courte dure tempo-relle possdant de facto une trs grande largeur de bande dans laquelle est rpartie toutelnergie. Il est possible dmettre le signal impulsionnel en bande de base et sans trans-position en frquence et de positionner le signal lintrieur du masque de frquencestabli par les autorits. Parmi les autres lments considrer pour une liaison UWB-IRon peut citer :

la forme donde de limpulsion la modulation du signal la nature du canal de propagation

laccs au canal par plusieurs utilisateurs

1.3.1 Impulsion lmentaire

Il existe diffrents modles dimpulsions dont les plus simples se basent sur une impul-sion sinusodale fentre par un rectangle, mais aussi des modles plus complexes commeceux issus de la famille des impulsions gaussiennes (monocycle et ses drives) qui ontlongtemps servi de rfrence pour les signaux UWB, les modles bass sur les polynmesdHermite ou encore limpulsion de Rayleigh. Les diffrentes formes donde permettentde jouer sur la rpartition en frquence de la puissance. La figure (1.4) prsente une im-

pulsion gaussienne lmentaire ainsi que la mme impulsion multiplie par une porteusequi permet une transposition en frquence du spectre de cette impulsion.

(a) Impulsion lmentaire (b) Impulsion multiplie par une porteuse

Figure 1.4 Impulsion gaussienne

Limpulsion gaussienne de la figure1.4(a)est dcrite par le modle mathmatique delquation (1.2), o g(t) est limpulsion, Eg son nergie (Eg = 1 pour simplification) et

33


19Mar2013


34/235


est lcart-type. La reprsentation frquentielle de limpulsion gaussienne obtenue partransforme de fourier (TF) est donne par lexpression1.3.Les drives du modle gaus-sien sont gnralement utilises, en particulier la premire drive couramment appelemonocycle gaussien. Lavantage dans les drives gaussienne provient du fait quelles per-mettent de centrer la densit spectrale de puissance lintrieur du masque de frquencesautoris.

La drive lordre nde limpulsion gaussienne sexprime par la relation1.4 et sonquivalence frquentielle obtenue par TF est donne par lexpression1.5.

g(t) =

2Eg

exp( t

2

22) (1.2)

G(f) = 2Eg exp((2f )2

2 ) (1.3)g(n)(t) = n 1

2 g(n2)(t) t

2g(n1)(t) (1.4)

G(n)(f) = (i2f)n

2Eg

exp (2f )2

2 (1.5)

La figure1.5nous montre les reprsentations temporelles et frquentielles du modleGaussien et de ses premires drives. Pour certains gabarits, il faut avoir recours unordre assez lev de la drive pour positionner le spectre de limpulsion lintrieur dumasque autoris. A contrario, il est difficile de raliser des gnrateurs dordre suprieur 2 cause du nombre doscillations [14].

Figure 1.5 Reprsentations temporelles et frquentielles de limpulsion gaus-

sienne et ses 3 premires drives, pour = 100ps[15]

Quel que soit limpulsion choisie, le rapport cyclique utilis est faible, ce qui limite lapuissance moyenne. Pour obtenir une probabilit derreur suffisante en rception, on pro-cde gnralement la redondance dinformation en transmettant plusieurs impulsionspar symbole, et lon effectue la dcision sur lensemble des impulsions reues. La suite du

34


19Mar2013


35/235


manuscrit nous prsente les moyens utiliss pour transmettre un train dinformations, etceux existant pour la rception de ces informations.

1.3.2 Modulations associes lUWB-IR

Diverses modulations peuvent tre utilises pour coder linformation avant la trans-mission des impulsions. La modulation joue un rle important car elle peut tre dter-minante dans la robustesse de la liaison ainsi que le dbit de donnes; ces deux lmentspeuvent impacter sur la complexit et le choix des architectures dmission et de rcep-tion.

Modulation par amplitude de limpulsion (PAM)

La modulation PAM consiste attribuer une amplitude donne limpulsion enfonction de la donne transmettre. Dun point de vue mathmatique, le signal s(t)modul en amplitude sexprime :

s(t) =jZ

jp(t jTs) (1.6)

p(t)est limpulsion lmentairej est lamplitude associe au symbole j transmettre.Ts est la dure des symboles.

Cette modulation peut sappliquer avec M tats damplitude diffrents, ce qui per-met daugmenter lefficacit spectrale. Mais pour une puissance moyenne dmission fixe,augmenter le nombre dtats M dgrade la probabilit derreur si toutes les amplitudessont de mme signe. Cette modulation peut tre utilise avec tous les types de rcepteur,mais tous nont pas la mme facilit discriminer les diffrentes amplitudes.

La figure (1.6)nous prsente un exemple de modulation damplitude quatre tats(4-PAM), avec une reprsentation grossire dimpulsions amplitude positive.

Modulation On Off Keying (OOK)

La modulation On Off Keying (tout ou rien) est issue des systmes optiques danslesquels elle est trs utilise, et elle consiste coder linformation par la prsence oulabsence dimpulsion. Il sagit dun cas particulier de la modulation PAM dfinie parlexpression1.6, mais dont le coefficient damplitude prend deux valeurs telles que :

s(t) =jZ

jp(t jTs) = j {0, A} (1.7)

35


19Mar2013


36/235


Figure 1.6 Modulation PAM 4 tats

Ts est la dure des symboles et p(t) est limpulsion lmentaire. Dans la figure1.7

illustrant la modulation OOK, linformation 1est transmise par lmission de limpulsiondamplitude tandis que labsence dimpulsion (= 0) correspond la transmission delinformation0. La dmodulation consiste alors dcider de la prsence ou non dimpul-sion durant la priode dobservation.

Figure 1.7 Impulsions modules en OOK

La modulation OOK prsente un certain nombre davantages [16], en loccurence :

Sa mise en uvre est facile aussi bien lmission qu la rception et elle facilitela synchronisation car la position et la phase de limpulsion ne varient pas.

Cette modulation est accessible aux rcepteurs de faible complexit dont en parti-

culier le dtecteur dnergie. Compare une modulation de type PPM (ci-aprs) par exemple, elle permet,

puissance moyenne et dbit quivalents, dmettre des impulsions dont la puissancepeut tre deux fois suprieure. Cela permet de faciliter la dtection des impulsions la rception dans le cas des rcepteurs dtection dnergie.

Cependant, une des difficults pour le rcepteur dtection dnergie est la dterminationdu seuil optimal de dtection, qui dlimite labsence ou la prsence de limpulsion.

36


19Mar2013


37/235


Modulation par position de limpulsion (PPM)

Cest un schma de modulation couramment utilis pour lUWB et qui consiste

transmettre linformation laide de la position temporelle de limpulsion. Cette modu-lation sappuie sur M tats diffrents correspondant chacun une position de limpulsiondans le temps symbole ; on parle ainsi de MPPM pour indiquer ces M positions de lim-pulsion. Dans [17], lintervalle de modulation est infrieur la dure de limpulsion, onparle alors de PPM courte chelle ; lorsque cet intervalle est largement suprieur ladure de limpulsion, on parle de PPM large chelle.

(a) 2-PPM

(b) 4-PPM

Figure 1.8 Impulsions module en PPM

Le signal s(t)modul en PPM scrit :

s(t) =jZ

p(t dk jTs) (1.8)

Ts est la dure du symbole.

est lintervalle de modulation (cart entre deux positions conscutives).k [0, M 1] indique le dcalage associ linformation transmise dans le symbole j,Mtant le nombre dtats de la modulation.

Il sagit dune modulation orthogonale dont lun des avantages est son aptitude dfinir plusieurs tats laide de dcalages varis. La PPM se distingue aussi par lasimplicit de sa mise en uvre lmission, qui dpend de la capacit contrler lins-tant dmission de limpulsion. La PPM peut tre utilise avec la plupart des rcepteurs

37


19Mar2013


38/235


dont la principale difficult sera de discriminer chacun des tats de position lors de ladmodulation.

Modulation de phase Binary Phased Shift Keying (BPSK)

Cette modulation consiste crer un systme binaire en transmettant linformationpar le biais de la polarit de limpulsion. On peut ainsi considrer cette modulationcomme une particularit de la PAM dont les amplitudes sont antipodales. La BPSK estillustre en figure 1.9 et si lon conserve la notation utilise dans lexpression 1.6, onreprsente la BPSK comme suit :

s(t) =

jZjp(t jTs) = j {A, A} (1.9)

Figure 1.9 Impulsions modules en BPSK

Pour une puissance moyenne dmission donne et avec un rcepteur optimal cohrent,la BPSK conduit une meilleur probabilit derreur binaire que lOOK et la BPPM. Deplus, le signal est de moyenne nulle si les bits sont quiprobables, ce qui permet desupprimer les composantes discrtes (raies spectrales) lorsque le signal est alatoire etstationnaire[18].

Dans le cas dun canal additif blanc gaussien 19 et compare la PPM, la BPSKncessite un rapport signal bruit infrieur de 3dB, BER 20 identique [16][19]. Parcontre, tant une modulation denveloppe constante, la BPSK va tre incompatible avecles rcepteurs dtection dnergie.

La modulation BPSK existe galement sous une variante dite Diffrentielle (DBPSK),qui diffre de la BPSK classique en ce sens que la phase de limpulsion dpend la foisde la donne transmettre et du bit prcdent. Ainsi sur la figure 1.10, la phase delimpulsion au bit n est inverse par rapport celle au bit n 1si linformation envoyeest1, tandis que la phase demeure identique si le bit dinformation 0 est envoy.

19. canal CABG ou AWGN

20. Bit Error Rate

38


19Mar2013


39/235


Figure 1.10 Impulsions modules en DBPSK

Limites thoriques

Chacune des modulations prsentes prcdemment peut tre associe une constel-lation donne suivant le nombre de symboles transmis (figure 1.11). Les probabilits

derreur de chaque modulation sur un canal bruit additif blanc gaussien peuvent ainsitre dfinies suivant que les symboles sont orthogonaux (2-PPM, OOK) ou antipodaux(BPSK, DBPSK) [19,20].

Figure 1.11 Constellation des modulations

2-PPM, OOK : modulations orthogonales

Perr =Q(

SN R) (1.10)

BPSK, 2-PAM : modulations antipodales

Perr =Q(

2.SNR) (1.11)

SNR reprsente le rapport signal bruit dfini tel que SN R = Es/N0 o Es est

lnergie moyenne du symbole etN0 est la dsp monolatrale du bruit.

Conclusion

Il existe plusieurs manires de moduler limpulsion lmentaire, en modifiant son am-plitude, sa phase ou sa position, et chaque modulation donne au signal des propritsspectrales particulires. La diffrence entre les modulations prsentes sexprime au tra-vers des performances dtermines par la variation du taux derreur binaire en fonction

39


19Mar2013


40/235


du rapport signal bruit. Toutefois, certaines modulations sont accessibles un certaintype de rcepteurs, il en rsulte une complexit du systme qui varie suivant la modula-tion, le type de rcepteur mais galement les performances cibles. Lenjeu dans le travailprsent consiste trouver un juste quilibre entre ces divers paramtres.

1.3.3 Accs multiple au canal

Plusieurs utilisateurs ou plusieurs rseaux peuvent tre prsents dans un mme en-vironnement et peuvent simultanment solliciter le canal pour la transmission dinfor-mation. La gestion de laccs au canal par des utilisateurs multiples peut tre assureaussi bien au niveau de la couche MAC 21 que de la couche physique. On retrouve tra-ditionnellement la rpartition en temps (TDMA 22), en frquence (FDMA 23) ou en code(CDMA 24, frequency hopping). Pour lUWB, deux mcanismes sont couramment vo-qus, savoir le saut temporel et la rpartition par code. La section suivante prsenteces deux mthodes daccs multiple au canal gnralement utilises pour la radio impul-sionnelle.

Accs multiple par saut temporel (Time Hopping : TH)

Introduite par R. Scholtz ds 1993 [1][21], cette mthode daccs multiple est lapremire utilise avec la radio impulsionnelle et lune des plus couramment employes denos jours. Son principe consiste diffrencier les utilisateurs par les instants dmissiondes impulsions laide dun code pseudo-alatoire connu de lmetteur et du rcepteur.

Chaque symbole de dure Ts est divis en Nf trames de dure Tf chacune avecNfTf = Ts, Nf correspondant au nombre dimpulsions par symbole. Chaque trame estdivise enNc chips de dure Tc chacun o Nc correspond la longueur du code, Tc ladure du chip, et NcTc= Tf. Dans le symbole, chaque chip contient une seule impulsiondun utilisateur, qui est contenue dans un slot dtermin.

Cest donc par le slot contenant limpulsion que les utilisateurs sont diffrencis. Pourun utilisateur donn, lensemble des slots contenants les impulsions du symbole est ainsidtermin par le code de saut. Le Time Hopping peut tre utilis avec lensemble desmodulations prsentes en section1.3.2,et le signal rsultant de cette association et mispar un utilisateur k scrit :

sk(t) =+

j=kjp(t jTf ckj Tc dkj ) (1.12)

21. Medium Access Control

22. Time Division Multiple Access

23. Frequency Division Multiple Access

24. Code Division Multiple Access

40


19Mar2013


41/235


k est lindice se rapportant un utilisateur donn.j est lindice de la trame, fraction entire du temps symboleTs.kj

est lamplitude de limpulsion, ses valeurs dpendent de la modulation choisie.cjest lejime lment de la squence pseudo-alatoire de priode Ncchips. Chaque lmentde la squence est un entier compris dans lintervalle [0; Nc 1].dj est lej ime symbole transmettre parmi ceux disponibles pour la modulation PPM. est alors lintervalle de temps de la modulation.

p(t)est lexpression de la forme donde de limpulsion transmise.sk(t)est le signal mis par lutilisateur k.

Dans le cas particulier de la PPM, deux lments dterminent la position de limpul-sion dans un temps symbole, le symbole lui-mme car la modulation PPM entrane undcalage plus ou moins grand de limpulsion, et la squence pseudo-alatoire du code de

saut.La figure1.12illustre une application du code de time hopping [0 2 1 2] de longueur

4 pour une modulation PPM 2 tats et un symbole constitu de 4 impulsions. Cetexemple illustre le cas de la PPM courte chelle.

Figure 1.12 Symbole dimpulsions modules en TH-PPM

Effectuer laccs multiple par saut temporel TH prsente entre autres lavantage dal-trer la priodicit du signal [16] supprimant ainsi les raies spectrales, et si la squencepseudo-alatoire est suffisamment longue, le signal UWB peut tre assimil un bruitblanc gaussien sur la bande quil occupe. Dautre part, pour pouvoir dcoder un si-gnal UWB, le rcepteur a besoin de connatre la squence pseudo-alatoire utilise parlmetteur, ce qui permet de garantir un certain niveau de confidentialit aux donnes

transmises.

Accs multiple par squence directe (DS-UWB)

LUWB squence directe (DS-UWB 25) sinspire des systmes talement de spectre,avec limpulsion UWB qui joue le rle du chip [22]. Chaque utilisateur se diffrencie par

25. Direct Sequence Ultra Wideband

41


19Mar2013


42/235


sa propre squence pseudo-alatoire (PR) qui affecte la phase de limpulsion dans chaquetrame 26, un bit de donne tant alors utilis pour moduler ces impulsions. Les symbolestransmis sont reprsents par des codes dtalement dont la longueur quivaut celle dela trame. Il en rsulte un signal constitu dune transmission continue de ces impulsionsUWB dont le nombre dpend de la longueur du code PR et du dbit fix par le systme.On ne retrouve plus le fort rapport cyclique prsent en radio impulsionnelle.

En normalisation IEEE802.15.4a-2007 , les impulsions sont concatnes en burstpuisdans chaque burst, elles sont modules en polarit (phase). Le DS-UWB sapplique parle biais de squences PR qui contrlent la polarit des impulsions. Laccs multiple estgr par lutilisation de codes PR orthogonaux.

Compars aux systmes radio impulsionnelle standard (exemple du TH-PPM),

le DS-UWB est plus facile dimplmentation du fait des bandes de frquence moinslarges 27 qui relchent des contraintes sur les composants RF[10]. Dans la mesure o cettetechnique daccs reste base sur des impulsions, elle demeure robuste face aux trajetsmultiples. Une reprsentation dun temps symbole dun signal DS-UWB est illustre surla figure1.13:

Figure 1.13 Illustrations dun symbole en squence directe

1.4 Systmes dmission UWB-IR

Transmettre de linformation par le biais de la technologie UWB-IR requiert des

dispositifs en mesure de gnrer les impulsions et de les moduler pour coder linformation.Le choix dune architecture en mission dpend des applications du systme. Plusieursparamtres peuvent alors intervenir tels que les contraintes techniques dimplmentation,le cot, la complexit et capacit tre configurable, les objectifs de performance ouencore lenvironnement.

26. on considre un symbole divis en Nf trames

27. La dure temporelle du signal est augmente

42


19Mar2013


43/235


1.4.1 Emetteur UWB

Les critres de dfinition dun signal UWB permettent denvisager les mcanismes les

plus varis pour que le signal mis ait une largeur de bande suprieure la valeur requisede 500MHz. De faon gnrale, une impulsion est dfinie par :

Sa frquence centrale Sa bande passante -3dB ou -10dB Sa dure Son amplitude crte--crte Sa puissance Sa forme donde

Parmi les actions accomplies par lmetteur UWB on distingue :

Gnrer des impulsions courtes Moduler les impulsions suivant le schma de modulation choisi Prparer le signal pour lmission par lantenne (transposition, amplification, fil-

trage...)

Lmetteur UWB peut tre reprsent comme en figure 1.14 o lon retrouve lesdonnes interprtes par le bloc modulateur qui effectue la gnration et la mise enforme des impulsions dans le symbole transmettre. Le signal rsultant est amplifi puisfiltr avant dtre rayonn par lantenne.

Figure 1.14 Principe dun metteur UWB

1.4.2 Gnration dimpulsions UWB

Les mthodes de gnration dimpulsions UWB relvent du domaine de la conceptionde circuit et nous nen faisons pas une prsentation exhaustive. Nous nous contentons icide prsenter quelques principes proposs dans la littrature, en particulier dans les docu-ments [23,24]dans lesquels on retrouve un tat de lart consistant avec de nombreusesrfrences.

Lune des difficults surmonter dans la gnration dimpulsions provient de la ca-pacit crer des front suffisamment raides provenant de transitions entre les niveaux

43


19Mar2013


44/235


extrmes dalimentation. De telles transitions sont possibles avec la diode SRD (StepRecovery Diode) qui a suscit un intrt particulier pour gnrer des impulsions de trscourte dure. Elle peut tre combine avec une diode PIN et/ou un transistor MESFET(reposant sur une jonction Schottky) pour contrler la dure de limpulsion [25] [26][27][28] ; la figure1.15prsente un exemple de circuit SRD gnrant des impulsions UWB.Les diodes SRD peuvent tre ralises sur silicium mais sont plus performantes en AsGa[24], et ne sont pas adaptes pour une intgration en technologie CMOS.

Figure 1.15 Gnrateur dimpulsion SRD rglable par diode PIN[24]

On peut galement retrouver des propositions de circuits totalement intgrables enCMOS, et qui vont permettre de rduire la taille mais aussi la consommation de lmet-teur. La proposition issue de [29]et illustre dans la figure1.16prsente un procd quipermet daboutir un signal UWB par le filtrage ( laide de composants L et C) duneporte de dure obtenue en combinant le signal invers dun front descendant (signalA) avec la version retarde (de la mme valeur ) de ce front descendant (signal B).Des architectures CMOS de faible consommation gnrant une forme donde modifiablepeuvent galement tre retrouves dans[24][30] [31] [32]et[33] ; on peut galement rete-nir larchitecture dmission UWB tout numrique en technologie CMOS propose dans

[34].

44


19Mar2013


45/235


Figure1.16GnrateurdimpulsionCMOS

9pJ

[29]

45


19Mar2013


46/235


Comme principe de gnration dimpulsions on retrouve galement le schma de lafigure1.17qui prsente un gnrateur du monocycle de Scholtz dcrit dans [35,24], etqui utilise une inductance et une capacit pour driver deux fois un signal entrant. Avantdrivation, le signal dentre est lev au carr par un agencement de transistors en tech-nologie bipolaire. Si le signal entrant a lallure dune tangente hyperbolique, le signalobtenu en sortie avoisine la drive seconde dune impulsion gaussienne.

Figure 1.17 Gnrateur du monopulse de Scholtz [35,24]

La complexit des systmes dmission dpend troitement de lallure des impulsionsutilises pour la transmission du signal. La forme lmission des impulsions du signalpeut quant- elle dpendre de lallure voulue pour le spectre, et de la possibilit confi-

gurer ou modifier cette allure spectrale comme cela peut tre le cas pour les signaux detypeAPSWF28 utiliss pour crer des creux des frquences donnes du spectre [36][37].

1.5 Rception des signaux UWB-IR

Le signal reu correspond au signal mis ayant subi les transformations du canal, cequi se caractrise par la combinaison du bruit avec la convolution entre le signal transmiset la rponse impulsionnelle du canal; le signal reu sexprime alors pour un utilisateurk donn :

r(t) =s(t) h(t) + n(t) (1.13)Loprateur dsigne le produit de convolution, s(t)est dfini par lexpression1.12,h(t)dsigne la rponse impulsionnelle du canal qui peut tre modlise comme dans lexpres-sion2.1par exemple, et n(t)reprsente un bruit blanc gaussien.

28. Approximate Prolate Spheroidal Wave Function

46


19Mar2013


47/235


La rception du signal consiste retrouver linformation contenue dans le signal reur(t). Deux phases caractrisent ce processus de rception du signal :

La synchronisation : elle consiste caler le rcepteur sur les instants darrive desimpulsions dans la mesure o celles-ci ont subi linfluence du canal, notamment ladispersion de lnergie de chaque impulsion travers les trajets multiples.

La dmodulation : son principe est de retrouver quelle information a t transmise travers les impulsions reues.

Le principe des processus de synchronisation et dmodulation ainsi que leur com-plexit dpendent de la modulation utilise en mission, mais aussi de larchitecture derception.

1.5.1 Rcepteur cohrentPour un canal bruit additif blanc gaussien (AWGN), le rcepteur optimal est le

rcepteur corrlation qui consiste corrler le signal reu avec un motif local au niveaudu rcepteur et appel rfrenceoutemplate. Dans le cas du canal AWGN, ce motif estle filtre adapt au signal reu [19], prenant ainsi en compte les transformations subiespar le signal dans son parcours avant la chane de rception.

La figure1.18prsente une synthse des lments constituant la chaine de rceptionpar corrlation. On y retrouve un filtre passe bande qui attnue le signal non dsir situen dehors de la bande utile. Le filtre est suivi du corrlateur oprant sur le signal filtret le motif de corrlation local. Au final on retrouve llment de dcision qui effectue un

choix sur linformation reue en fonction du rsultat de la corrlation.

Figure 1.18 Rcepteur cohrent

Rcepteur rake

Des solutions ont t proposes pour prendre en compte la multitude de trajets ducanal UWB ; lun des procds rencontrs dans la littrature est le rcepteur rake [19,38,

47


19Mar2013


48/235


39,40]constitu dun nombre de doigts ralisant chacun une corrlation sur le trajet surlequel il est verrouill, suivis dune opration de combinaison sur lensemble des sortiesdes doigts. La performance du rcepteur rake dpend de la technique de slection destrajets ainsi que de la mthode de combinaison utilises.

Les principales techniques de slection des trajets pour le rcepteur rake sont lessuivantes :

La slection maximale : le rcepteur rake idal capture toute lnergie du signalreu avec un nombre Lr de doigts quivalent au nombre L de trajets du canal,on parle alors de total rake ou A-rake illustr en figure1.19(a)[23]. Linconvnientde cette approche est quelle requiert un nombre trs lev de doigts du rake,ce qui rend son implmentation trs complexe voire impossible. La rsolution oucapacit discriminer chaque trajet dpend de la largeur de bande du signal et

des algorithmes mis en uvre pour distinguer lamplitude de chaque trajet ; celarequiert une estimation trs fine et instantane du canal. Le rake slectif : appelS-rakeet illustr sur la figure1.19(b)[23], il consiste op-

rer des corrlations uniquement sur les Lrtrajets de plus forte amplitude parmi lesLtrajets de la rponse impulsionnelle du canal. Le nombre de trajets slectionnspeut tre limit au nombre de doigts du rcepteur ou encore il peut correspondreaux trajets qui ont une amplitude suprieure un seuil dtermin. Pour une r-ponse impulsionnelle donne, les trajets slectionns peuvent tre conscutifs ouparpills sur toute la profondeur du canal. Procder une combinaison des trajetsayant une nergie significative permet de rduire considrablement la complexitdu S-rake compar au A-rake.

La slection partielle : ce rake dit P-rakepeut tre considre comme une ap-proximation lgre du S-rake, et consiste combiner les Lr premiers trajets. Cetteapproche sappuie sur lhypothse que les premiers trajets arrivs sont les plusforts et contiennent le plus dnergie. Cependant avec le canal UWB, les premierstrajets ne sont pas toujours les plus forts, ce qui ne permet pas denvisager desperformances optimales avec le P-rake. Le principe de ce rcepteur est illustr surla figure 1.19(c)[23], et on y remarque que des trajets de forte amplitude nontpas t slectionns car narrivant pas parmi les premiers. Comme la connaissancedes amplitudes nest pas requise, ce rcepteur sera de complexit de conceptioninfrieure aux deux prcdents, mais aussi de moins bonne performance.

En complment aux techniques de slection des trajets interviennent les mthodesutilises pour combiner les sorties des corrlations effectues sur chaque doigt du rake.On peut citer parmi de nombreuses mthodes de combinaison des corrlations :

Equal Gain Combining (EGC) [19]: les sorties des corrlateurs sont toutes addi-tionnes avec un poids gal ; cest le principe de combinaison le plus simple, et ilne requiert aucune connaissance de lamplitude des trajets.

48


19Mar2013


49/235


(a) A-rake (b) S-rake

(c) P-rake

Figure 1.19 Quelques variantes du rcepteur rake [23]

49


19Mar2013


50/235


Maximum Ratio Combining (MRC)[19] : les sorties des corrlateurs sont pondresen fonction de lamplitude du signal reu, avant dtre envoyes vers le systme dedcision. Cela requiert une estimation des amplitudes de chaque trajet, et maximisele SNR 29 instantan en absence dinterfrence bande troite mais ses performancesse dgradent dans le cas contraire[41].

Minimum Mean Square Error Combining (MMSEC)[3

TH2012PEST1094_complete.pdf

Documents