Systemes ultra large bande pour les communications sans fil

Le monde de la technologie des télécommunications a évolué très rapidement depuis que Tesla a découvert un moyen de transmettre l’énergie sans fil dans les années 1890 et depuis que Marconi a utilisé ses travaux pour réaliser ce qui semblait être la première communication sans fil en 1895. De nos jours, la problématique est que le spectre de fréquences pour les communications sans fil atteint sa limite d’occupation, et des mesures de sécurité pour éviter des interférences ont été mises en place. Des notions comme la consommation d’énergie ou le coût de fabrication sont très recherchées dans le marché des télécommunications. La réalisation des transmissions sans fil est mise en place avec la technologie dite à bande étroite. Ainsi, en février 2002, une nouvelle technologie appelée « Ultra Wide Bande (UWB)» fut présentée comme solutions à beaucoup de problèmes de transmission. Après cette découverte (de la part des industrielles), la perception du monde des télécommunications a basculé. Actuellement, il existe de nombreux travaux de recherche sur cette technologie, appelée en français, Ultra Large Bande ou ULB.

Enfin, la technologie ULB est un domaine encore vierge et tous ces avantages ainsi que les applications potentielles sont en train d’être découvertes partout dans le monde entier.

La technologie ultra large bande ou simplement ULB a attiré beaucoup d’intérêt dans les dernières années, particulièrement depuis la révision en février 2002 de la réglementation de la « Federal Communications Commission (FCC) » des États-Unis, qui permet l’utilisation de la technologie ULB en tant que système superposé dans la plage de fréquences de 3,1 à 10,6 GHz. Les principaux attraits de cette technologie sont d’importants : taux de transmission, faible coût et faible consommation de puissance. En mars 2007, l’ « Electronic Communications Committee (ECC) » autorise, l’utilisation de la technologie ULB dans les bandes 4,2 à 4,8 GHz et 6 à 8,5 GHz. De par sa nature, la technologie ULB opèrera nécessairement en présence d’interférents relativement puissants en plus du bruit gaussien ou bruit blanc thermique.

Les transmissions ULB offrent des avantages considérables. Tout d’abord, la bande étant très large, la capacité du canal de transmission en est d’autant augmentée, ainsi les débits de données possibles sont supérieurs au Gbit/s. Ensuite l’impulsion large bande codant l’information est de très courte durée. Elle est donc résistante aux multi-trajets, qui peuvent être pris en compte pour mieux détecter l’impulsion et éliminer les trajets parasites. Elle apporte aussi une importante précision temporelle nécessaire pour les systèmes de géolocalisation. Les transmissions ULB ont un second atout pour la géo-localisation résidant dans la capacité de pénétration du signal ULB. Le transmetteur peut être utilisé pour sonder des matériaux et des pièces.

La technologie ULB doit aussi permettre de simplifier l’émetteur-récepteur en réduisant le plus possible la partie analogique du circuit et en augmentant la partie numérique. En effet, pour réduire les coûts de fabrication des puces radiofréquences, la frontière analogiquenumérique est repoussée amenant à des systèmes complètement numériques pour certaines normes. De plus, le fait que la densité spectrale de puissance du signal ULB soit large bande et de faible niveau, permet que les objets communicant faible bande ou même large bande avoisinant un transmetteur ULB subissent peu d’interférences aux signaux ULB.

Les travaux présentés dans ce mémoire se sont déroulés dans le cadre d’une collaboration entre l’équipe de Modélisation et Conception Systèmes d’Objets Communicants (MCSOC) du laboratoire LEAT (Laboratoire d’Électronique, Antennes et Télécommunications) situé à Sophia Antipolis et l’équipe Conception de Circuits Intégrés (CCI) du laboratoire IM2NP (Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence) situé à Marseille. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR GRECO (GREen wireless Communication Objects) et elle a été codirigée par Monsieur Gilles JACQUEMOD, Professeur à l’Université Nice – Sophia Antipolis, Monsieur Sylvain BOURDEL, Professeur à l’Université de Grenoble et Monsieur William TATINIAN, Maître de Conférences à l’Université Nice – Sophia Antipolis.

Les communications sans fil Ultra Large Band (ULB) connues internationalement sous le nom UWB (Ultra Wide Band) pour son sigle en anglais, sont basées sur l’émission et la réception des impulsions de très faible durée de l’ordre de quelques pico ou nano secondes pour une version IR (Impulse Radio, une autre version de type OFDM coexiste). L’information est généralement présentée sous forme binaire (numérique), où chaque bit peut être représenté par une ou plusieurs impulsions ULB. L’avantage de ce système est que la transmission de données peut atteindre des débits de l’ordre de quelque giga bits par second (Gbps) en raison de la très courte durée des impulsions. Cette caractéristique très importante peut être clairement démontrée avec le théorème de Shannon – Hartley  où la capacité du canal C (bits/s) est proportionnelle à sa bande passante BW (Hz) et dépend également de son rapport signal à bruit, RSB. D’après cette relation le facteur le plus important pour déterminer la capacité du canal est sa bande passante. Dans le cas d’un RSB donné, un système ULB aura une capacité supérieure à celle d’un système à bande étroite.

De plus, l’avantage de sa large bande passante permet d’intégrer plusieurs fonctions autres que la transmission de données. En outre, la densité spectrale de puissance du signal ULB se trouve au dessous du plancher du bruit des signaux à bande étroite. Cette caractéristique permet aux communications ULB de coexister avec les technologies conventionnelles. Une autre caractéristique très importante est l’immunité aux interférences dues aux obstacles « multipath », rencontrées dans une communication mobile ou à l’intérieur d’un bâtiment. De cette manière la technologie ULB se présente comme la meilleure solution aux problèmes rencontrés dans les communications RF.

La technologie ULB a été développée dans un premier temps pour réaliser la transmission de données hautement sécurisée et pour des applications radars. Dans les années 1960, cette technologie était connue comme sans porteuse (carry free), en bande de base (baseband), ou encore impulsionnelle. Toutefois, on trouve des travaux réalisés par Pierce et Hopper [1] en 1952 sur la transmission de signaux téléphoniques analogiques, au moyen d’impulsions aléatoires espacées dans le temps. Cet article semble constituer le premier travail sur la radio par impulsion à accès multiple (RIAM ou IRMA : Impulse Radio Multiple Acces). Mais, c’est en 1973 que le premier brevet sur l’application des impulsions dans les télécommunications a été déposé par G.F. Ross aux États-Unis [2]. Quelques années plus tard, en 1989, le terme ULB apparaît pour la première fois dans une publication du ministère de la Défense des ÉtatsUnis (DoD), où la plupart des travaux de recherche étaient envisagés pour des applications militaires. En outre, le premier article décrivant l’Impulse Radio (IR) comme solution à des communications sans fil a été publié en 1992 par P. Withington et Fullerton [3]. Cet article fut suivi par des travaux académiques démarrés par Scholtz en 1993 [4]. Mais, jusqu’en 1994, le gouvernement des États-Unis avait maintenu les travaux liés à ULB sous le couvert de confidentialité. Depuis cette année, plusieurs travaux de recherche par rapport au canal de transmission et aux avantages de la technologie ULB dans les communications sans fil ont été publiés. Les résultats obtenus par des études réalisées par des agences gouvernementales ainsi que par des entreprises privées sur cette technologie ont fourni les informations nécessaires pour une réglementation et une coexistence avec les technologies de communications sans fil à bande étroite. Ainsi, la « Federal Communications Commission » (FCC) qui est en charge de la régularisation des bandes de fréquences aux États-Unis, réglemente en février 2002, l’utilisation de la technologie ULB dans la bande 3,1 à 10,6 GHz, en limitant le niveau de puissance d’émission des signaux pour des applications commerciales à -41,3 dBm/MHz avec une bande passante de 7,5 GHz, connue communément comme « masque FCC ». Finalement, vue l’importance et les avantages de cette technologie, le régulateur des bandes de fréquences en Europe, l’ « Electronic Communications Committee » (ECC) autorise en mars 2007, l’utilisation de la technologie ULB dans les bandes 4,2 à 4,8 GHz et 6 à 8,5 GHz en limitant la puissance d’émission des signaux pour des applications commerciales à -41,3 dBm/MHz avec une bande passante de 600 MHz pour la première bande et 2,5 GHz pour la deuxième.

Suite à la réglementation, d’autres problèmes principalement liés à la transmission de données et à la standardisation de la couche physique dans les communications sans fil pour les applications de type WPAN (Wireless Personal Area Network), sont apparus. En 1999, l’ « Institute of Electrical and Electronics Engineers » décide de créer le standard IEEE.802.15.3 pour optimiser la couche physique et le contrôle d’accès au matériel (MAC, Media Access Control) dans les communications WPAN haut débit. Et, en 2003, cette institution crée le standard IEEE 802.15.3a où l’ULB avait été retenue comme une possible solution pour la réalisation de la couche physique. D’un autre côté le besoin de diminuer la consommation d’énergie et le coût de fabrication de la couche physique a donné lieu à la création, en 2003, du standard IEEE 802.15.4 pour les réseaux WPAN bas débit. Toutefois, ce n’est qu’en 2007 que ce standard est modifié sur le nom IEEE.802.15.4.a et adopte la technologie ULB comme couche physique possible. L’immaturité de cette technologie a introduit des conflits d’intérêt dans la technique de transmission de données et leur performance. D’un côté, l’alliance « WiMedia » (Wireless Multimedia) promeut la modulation par répartition de fréquences orthogonales (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Et, de l’autre côté, l’alliance « DSSS-IR » (Direct-Sequence Spread Spectrum Impulse Radio) promeut la radio impulsionnelle (RI ou « IR, Impulse Radio»). Cependant, les derniers travaux de recherche menés sur l’ULB montrent que l’OFDM semble être la meilleure option pour le standard IEEE 802.15.3a où la transmission de données est à très haut débit. L’IR est plus intéressante pour les applications à faible coût et bas débit et pourrait être ainsi adopté par le standard IEEE 802.15.4a. De plus, cette technique est aussi adaptée pour le standard IEEE 802.15.6 qui décrit les réseaux corporels sans fils (WBAN, Wireless Body Area Network). En outre, l’utilisation d’impulsions très courtes montre qu’il est fortement envisageable de l’employer dans les applications telles que l’identification radiofréquence (RFID) ou les réseaux de capteurs sans fil (WSN). Il est essentiel de comprendre que la recherche dans le domaine de l’ULB est encore en voie de perfectionnement, et que les outils d’analyse, tant sur le plan de la simulation que de la mesure n’ont pas atteint la maturité de ceux utilisés en bande étroite.