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 ghais.el-zein@insa-rennes.fr

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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Lavoisier, Paris, 2004, 238 pages. 4- D. Porcino, and W. Hirt, "Ultra-wideband radio technology: potential and challenges ahead", IEEE Commun.

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9- I. H. Naqvi, G. El Zein, "Time Reversal Technique for Ultra Wide-band and MIMO Communication Systems". Advanced Trends in Wireless Communications, InTech, 2011, Chapter 12, pp. 223-240.

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11- S. Collonge, G. Zaharia, G. El Zein, "Influence of the Human Activity on Wide-band Characteristics of the 60 GHz Indoor Radio Channel", IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 3, N 6, November, 2004, pp. 2396-2406.

12- P. A. Bello, "Characterization of randomly time-variant linear channels", IEEE Trans. Communic, pp. 360-393, Dec. 1963.

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