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Pour développer efficacement des systèmes de télécommunications, une parfaite connaissance du milieu de propagation est nécessaire. En effet, les performances d’un système de communications sans fil dépendent des conditions de propagation entre les antennes émettrices et réceptrices. Le dimensionnement de ces systèmes passe par la calibration des éléments de l’émetteur et du récepteur en fonction des propriétés du canal de propagation. Pour obtenir les meilleures conditions de propagation et atténuer les effets négatifs, le canal de propagation doit être caractérisé dans les environnements où ce système sera déployé. Dans la pratique, des modèles de canaux permettant de simuler les liens radio et la mise au point du système de communications sont proposés. Ces modèles ont souvent été obtenus à partir de campagnes de mesures. Par exemple, la caractérisation des pertes de puissance permet d’estimer la couverture radio du système de communication, tandis que des simulations de lien permettent d’évaluer la robustesse du système. L’étude de la technologie à déployer joue également un rôle crucial.
L’Ultra Wide Band (UWB) est une technologie de transmission consistant à utiliser des signaux s’étalant sur une très large bande de fréquences, de 1 ‘ordre de quelques centaines de MHz à plusieurs GHz (par exemple de 500 MHz à 7 GHz). Initialement, cette technologie a été utilisée pour la localisation radar, et depuis quelque temps déjà, elle est utilisée pour des communications sans fil. La communauté scientifique et industrielle a montré un très grand intérêt pour cette technologie. Les caractéristiques de la technologie UWB, notamment sa grande largeur de bande et sa résolution temporelle permettent de proposer des systèmes de communications à très haut débit. Dès 2002, la commission fédérale des communications américaine (Federal Communications Commission FCC) a autorisé l’émission de signaux UWB dans la bande 3,1 GHz – 10,6 GHz, permettant ainsi la recherche dans cette bande. Avec de fortes demandes pour des applications multimédias sans fil à haut débit, l’UWB semble être l’une des solutions innovantes et attractives pour de futurs systèmes. Afin de normaliser la technologie, plusieurs groupes d’industriels se sont réunis pour former des alliances (UWB Forum et Multi Band OFDM Alliance) afin de concevoir des équipements basés sur cette technologie.
Avec une largeur de bande élevée, l’étude d’un canal de propagation UWB diffère de ceux des canaux à bandes étroites traditionnels. Une étude précise de ce canal est requise pour évaluer tout le potentiel et les contraintes des systèmes de communications.
Avantages et inconvénients de I’UWB
La première caractéristique de l’UWB est sa largeur de bande de l’ordre de 500 MHz à plusieurs GHz. L’utilisation de cette très large bande de fréquences permet, en s’appuyant sur le théorème de Shannon, d’obtenir des débits très élevés. Le débit est donc donné par : C = W log₂ (1+ SNR) (2.2)
où C est la capacité maximale du canal (bit/s), W la largeur de bande du canal (Hz), SN R est le rapport signal sur la puissance du signal. Grâce à ses caractéristiques, la technologie UWB offre de nombreux avantages par rapport aux systèmes à bande étroite. Nous pouvons entre autres citer :
• Débit très élevé en raison de la très grande bande passante.
• Faible consommation d’énergie : la transmission d’impulsions de courtes durées, quelques nanosecondes, permet aux générateurs d’impulsions, aux amplificateurs et aux récepteurs de ne pas fonctionner de manière permanente, mais de fonctionner pour quelques nanosecondes dans chaque période de répétition. En outre, les systèmes UWB peuvent transmettre les données à un débit beaucoup plus grand que les systèmes à bande étroite. La combinaison de haut débit et du signal intermittent réduit la consommation moyenne de puissance. Les systèmes UWB peuvent ainsi avoir des batteries plus petites.
• Moins de composants analogiques : il est possible de transmettre et de recevoir des impulsions sans générer une porteuse sinusoïdale. Ceci permet d’obtenir des puces de petite taille, ce qui est important dans le contexte de récepteurs à faibles coûts de fabrication.
• Robustesse face aux multi trajets : un problème typique des communications sans fil est l’évanouissement du signal dû à la propagation par trajets multiples qm peuvent réduire l’efficacité des systèmes classiques. Dans un environnement intérieur confiné, la présence de nombreux diffuseurs va produire des signaux réfléchis qui peuvent causer une interférence destructive sur le signal direct entrainant la diminution de la puissance reçue. En UWB, en raison de la courte durée d’impulsions, il est facile de séparer, au niveau du récepteur, la composante directe de chaque réflexion. Il est donc possible d’atteindre une plus grande portée de transmission avec le même niveau de pmssance.
• Une plus grande précision dans les systèmes de localisation. En effet, la précision est proportionnelle à la largeur de bande du signal. Les signaux UWB ayant une résolution temporelle de l’ordre de quelques nanosecondes à cause de leur grande largeur de bande, le retard du signal d’un signal peut être connu avec une précision de l’ordre de 0.1 à 1 ns. Il est donc possible de localiser l’émetteur avec une précision de 3 à 30 cm.
• Plus de sécurité pour l’utilisateur en raison de la très basse puissance émise ( -41 dBm). De plus, dans les systèmes UWB, des impulsions de courtes durées sont transmises, l’utilisateur n’est pas continuellement exposé au rayonnement.
• Communications protégées : Les signaux UWB sont presque indétectables car ils sont transmis avec une faible densité spectrale de puissance proche du plancher du bruit de fond des récepteurs classiques de communications. La transmission UWB est donc protégée avec une faible probabilité de détection et une faible probabilité d’interception. La technologie UWB ne présente toutefois pas que des avantages. Des inconvénients subsistent de par son utilisation. Nous pouvons entre autres citer :
• Possibilité d’interférence : les fréquences utilisées par la technologie UWB sont déjà employées par certains standards. Il existe donc une possibilité d’interférence entre ces différents systèmes.
Propagation des ondes
Les ondes électromagnétiques se propagent dans un canal de propagation et sont affectées par divers phénomènes. Les principaux phénomènes affectant une onde qui se propage dans un environnement sont la réflexion, la réfraction, la diffraction, la diffusion et l’effet de guide d’onde.
• Réflexion : La réflexion est observée lorsqu’une onde rencontre un obstacle de dimension supérieure à la longueur d’onde du signal. Cette réflexion peut être spéculaire ou diffuse. La réflexion spéculaire apparaît lorsque deux milieux différents sont séparés par une surface de dimensions très supérieures à la longueur d’onde du signal et dont les irrégularités sont très petites par rapport à celle-ci. Par contre, dans le cas d’une surface à irrégularités aléatoires, on parle de réflexion diffuse.
• Réfraction : La réfraction est observée lorsqu’une onde traverse un mur, une cloison, etc. L’onde qui traverse ces obstacles subit un affaiblissement de puissance et est déviée dans une autre direction.
• Diffraction : Lorsqu’une onde rencontre la pointe d’un obstacle ou une arête, elle subit une diffraction. Selon le principe de Huygens, toute arête ou pointe se comporte comme une nouvelle source rayonnant l’énergie dans presque toutes les directions de l’espace. La diffraction fait apparaître un changement de direction de propagation.
• Diffusion : La diffusion a lieu lorsqu’une onde se propage vers des surfaces de dimensions du même ordre de grandeur ou plus petites que la longueur d’onde. Chaque irrégularité va créer une onde diffractée.
• Guidage d’ondes : L’effet de guidage apparaît dans un couloir, dans un tunnel, une galerie souterraine. Ici, les ondes se propagent suivant la direction du guide.
Les ondes émises lors d’une communication radio subissent généralement une combinaison de ces divers phénomènes. De ce fait, l’onde émise est divisée en plusieurs faisceaux. Le signal reçu est une somme de tous les trajets arrivants au récepteur. Cette somme peut entraîner des interférences destructrices ou constructrices. Celle-ci est également responsable des fluctuations observées sur le signal reçu. Ces conditions engendrent la propagation par trajets multiples. La configuration des trajets multiples change et provoque des évanouissements profonds sur la puissance reçue. Les paramètres d’un canal de propagation sont donc :
• L’atténuation de la puissance due à la distance
• Les variations d’amplitude dues aux obstacles sur le trajet
• Les variations d’amplitude et de phase dues aux trajets multiples. Le canal de propagation peut être représenté comme un filtre linéaire variant dans le temps en fonction de la distorsion de phase introduite par les trajets multiples.
CHAPITRE 1 INTRODUCTION |
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