memoire skiribou knadel

8/13/2019 Memoire Skiribou Knadel

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Projet de semestre

Etude et valuation des performances

QoS dun systme de communication

bas sur la technologie Ultra Large

Bande dans un canal IEEE 802.15

Ralis par :

Camelia SKIRIBOU

Idriss KNADEL

Encadr par :

Mme. Raja Elassali

Mlle. Khadija Hamidoun

Soutenu le : 18/02/2013


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Table des matires

Table des figures.....5

Liste des tableaux...5

Glossaire.6

Introduction Gnrale.......7

Chapitre I: Etude bibliographique de lUltra Large Bande....................................................................... 9

I.1. Gnralits sur lUltra Large Bande.............................................................................................. 9

I.1.1. Principe de la technologie ULB ............................................................................................... 9

I.1.2. Rglementation et normalisation de lULB.......................................................................... 10

I.1.3. Standards de lULB................................................................................................................ 11

I.2. Application des technologies Ultra Large Bande ........................................................................ 11

I.2.1. Applications multimdia ....................................................................................................... 11

I.2.2. Applications industrielles ..................................................................................................... 12

I.2.3. Applications transport .......................................................................................................... 12

I.2.4. Applications mdicales ......................................................................................................... 13

I.3. Chaine de transmission IR-Ultra Large Bande ............................................................................ 14

I.3.1. Techniques de modulation associes lULB....................................................................... 14

I.3.2. Formes donde associes lULB......................................................................................... 14

I.3.3. Modulation PPM-Bipolaire ................................................................................................... 17

I.3.4. Modulations M-OAM............................................................................................................ 18

Chapitre II: Les canaux IEEE 802.15 ....................................................................................................... 20

II.1. Les types de modlisation .......................................................................................................... 20

II.2. Les modles existants ................................................................................................................. 20

II.3. Les canaux 802.15.3a ................................................................................................................. 22

II.4. Les canaux 802.15.4a ................................................................................................................. 23

Chapitre III: Simulation de la chaine de transmission ........................................................................... 25

III.1. Emetteur .................................................................................................................................... 25

III.2. Canal de propagation ................................................................................................................ 25

III.2.1. Fonctions utilises dans limplmentation........................................................................ 25

III.2.2. Rponses impulsionnelles observes ................................................................................ 27

III.2.3. Filtrage du signal par le canal ............................................................................................. 30

III.3. Rcepteur .................................................................................................................................. 30

III.4. Calcul du BER en fonction du SNR ............................................................................................. 30


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Chapitre IV: Amlioration des performances ........................................................................................ 32

IV.1. Techniques dgalisation........................................................................................................... 32

IV.1.1. Zero-Forcing ....................................................................................................................... 32

IV.1.2. MMSE ................................................................................................................................. 32

IV.1.3. Rake Receiver ..................................................................................................................... 33

IV.2. Implmentation du Rake ........................................................................................................... 35

IV.2.1. Dtecteur des trajets multiples .......................................................................................... 35

IV.2.2. Gnrateur de codes .......................................................................................................... 36

IV.2.3. Corrlateur et combinateur ............................................................................................... 36

IV.3. Calcul du BER en fonction du SNR ............................................................................................. 37

Conclusion Gnrale...41


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Glossaire

AWGN : Additive White Gaussien Noise

BER: Bit Error Rate

BPSK: Bipolar Phase Shift Keying

DSP : Densit Spectrale de Puissance

ETSI : European Telecommunications Standards Institute

FCC :Federal Communications Commission

IEEE :Institute of Electrical and Electronics Engineers

IR-ULB : Impulse Radio-Ultra Large Bande

ISM : Bandes Industrielles, Scientifiques et Mdicales

LOS: Line Of Sight

LR-WPAN : Low Rate-Wireless Personnel Area Network

LSB: Least Significant Bit

MMSE: Minimum Mean Square Error

MRC: Maximal Ratio Combiner

MSB: Most Significant Bit

NLOS: Non Line Of Sight

OAM: Orthogonal Amplitude ModulationOOK: On Off Keying

PAM: Pulse Amplitude Modulation

PPM: Pulse Position Modulation

RFID: Radio Frequency IDentification

SNR: Signal-Noise Ratio

UHF: Ultra High Frequency

SHF: Super High FrequencyULB : Ultra Large Bande

V2I: Vehicular 2 Infrastructure

V2V: Vehicular 2 Vehicular

WBAN: Wireless Body Area Network

WLAN : Wireless Local Area Network

WPAN : Wireless Personnel Area Network


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Introduction gnrale

Lintgration des applications WLAN et WPAN dans le domaine de la

tlphonie mobile de troisime et quatrime gnrations qui sont appeles

apparatre auront la spcificit davoir des dbits trs levs compars

ceux qui existent de nos jours.

Cependant lun des principaux obstacles lapparition de nouveaux

systmes est sans conteste lencombrement spectral de lespace. En effet, le

domaine spectral est occup sur la bande stalant du continu 10 GHz, et

les organismes rgulant les attributions de ce domaine appliquent des

normes de plus en plus strictes ce sujet.

Cest en partant de ce constat quest ne lide de rutiliser les systmes Ultra

Wide Band (UWB) littralement Trs Large Bande lorigine ddis aux

concepts Radar depuis 40 ans. Ils sont appels rvolutionner les

communications de demain. Ils ont un spectre trs tal mais des puissances

tellement faibles, infrieures au plancher de bruit des autre systmes, si bienquils sont ignors par les autres systmes utilisant les mmes plages de

frquence. Lavantage de tels systmes est quils sont peu coteux en nergie

cause des limites imposes par la normalisation.

Dans un premier temps, ce mmoire prsentera les concepts gnraux

relatifs aux systmes ULB, pour ensuite dfinir les caractristiques des

diffrents canaux IEEE 802.15 prsents dans la norme.

Dans un second temps, nous allons modliser une chane de transmission

complte relative aux systmes ULB, puis valuer ses performances en termes

de BER. Enfin, le dernier chapitre sera ddi ltude de diffrentes techniques

susceptibles damliorer les rsultats obtenus, puis den choisir le plus adquat

afin de le mettre en uvre.


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CHAPITRE 1

Etude bibliographique de lUltraLarge Bande

Connus depuis de nombreuses annes mais inexploits dans le domaine des

communications, les systmes Ultra Large Bande (ULB) ou encore UWB (Ultra Wide

Band), peuvent tre une solution pour la saturation des bandes de frquence. Au cours de

la rglementation et de la standardisation des signaux ULB, deux grandes familles de

systmes sont entres :

Les signaux impulsionnelsprcurseurs lULB, occupant des spectres larges;

Les signaux multi-porteurs, occupants des bandes de 500MHz comme le Wi Media.

Dans ce chapitre, nous allons voir en dtails les caractristiques ainsi que les normes de

lULB impulsionnel (IR-UWB).


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Chapitre I: Etude bibliographique de lUltra Large Bande

I.1. Gnralits sur lUltra Large Bande

I.1.1. Principe de la technologie ULB

Le concept repose sur lmission dimpulsions de dure trs brve (de lordre de 100 ps 1ns), ce qui favorise une transmission robuste dans un canal multi-trajets. Typiquement, ce

type dimpulsions occupe un spectre trs large (de lordre de 1 quelques GHz). On distingue

deux catgories de systmes ULB :

Les systmes ULB multi-bandes occupant des bandes de 500MHz ;

Les systmes ULB impulsionnels occupant de trs large spectre.

Ainsi, un systme ULB est dfini comme un dispositif utilisant une largeur de bandefractionne suprieure ou gale 25%, occupant une bande B de 500 MHz ou plus (la figure 1

illustre cette dfinition). La largeur de cette bande est donne par lquation suivante:

(I.1)o het ldsignent respectivement la frquence suprieure et la frquence infrieure de la

bande de frquence du signal, etfcdsigne la frquence centrale dont son expression est :

(I.2)

Pour les systmes de communication ULB sans-fils, les diffrentes autorits de rgulation

saccordent sur lutilisation de la bande frquentielle comprise entre 3,1 GHz et 10,6 GHz.

Figure 1: Densit spectrale de puissance dun signal ULB


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I.1.2. Rglementation et normalisation de lULB

La largeur de bande des signaux ULB ncessite une stricte rglementation de leur spectre

dmission. En effet, de nombreux systmes licencis ou non sont prsents dans les bandes

UHF et SHF propices au dploiement de systmes radio.

Pour permettre lutilisation de signaux ULB sur plusieurs GHz, les autorits de rgulation

doivent imposer une limitation svre sur la puissance dmission. La figure 2 prsente

quelques systmes radio prsents dans les bandes UHF et SHF :

Figure 2 : Systmes radio prsents dans les bandes UHF et SHF

On remarque plusieurs systmes occupant des bandes rserves comme les standards de

tlphonie cellulaire GSM (900 MHz), DCS (1,8 GHz) et UMTS (2 GHz). Le systme de

localisation par satellite GPS occupe galement une bande rserve autour de 1,5 GHz.

Dautres bandes frquentiellesaccueillent des systmes de communication non licencis. Par

exemple, la bande ISM accueille les systmes Bluetooth, Wifi et DECT, et autorise galement

les missions radio dues aux appareils industriels comme les fours micro-onde. La bande

UNII est la bande de frquences o oprent les normes Wifi 802.11a et Hyperplan.

Aux Etats-Unis : la FCC fait office dorganisme de rgulation de tout usage du spectrefrquentiel. En fvrier 2002, elle publie dans un rapport intitul First Report and

Order la rglementation des missions ULB. A partir de cette date, lmission de

signaux ULB sans licence pour les systmes de communication est autorise pour des

applications indoor. Elle lest galement pour des liaisons mobiles point point dans

les applications outdoor. En outre, aucune application ne peut tre dtourne de son

dveloppement original, ce qui interdit notamment lusage de systmes ULB pour la

dtection de personnes sapprochant dun btiment. De la mme manire, les

applications extrieures ne doivent pas reposer sur une infrastructure fixe.


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La FCC dfinit un masque dmission (reprsent sur la figure 3 et tableau 1.a). Il

fixe les niveaux de puissance en fonction des bandes de frquence. La DSP est de -

41,3 dBm/MHz pour la plage de frquence allant de 3,1 a 10,6 GHz dans lindoor.

On remarque que la densit spectrale de puissance autorise est trs faible, elle est

situe sous le niveau dmission non-intentionnelle impos par la FCC (41 dBm.

MHz1), mais celle-ci est compense par la largeur de la bande utilise, permettant

dmettre une puissance totale de 0,6 mW.

En Europe : lorganisme de normalisation ETSI travaille depuis 2001 pour une norme

europenne des systmes ULB, en effet les normes acceptes aux USA peuvent crer

des interfrences avec les rseaux sans-fil qui fonctionnent sur dautres frquences en

Europe. Ce pourquoi de nombreuses discussions et plusieurs versions prliminaires demasques dmission pour les systmes de communication ULB intrieurs et extrieurs

furent proposes. La dernire normalisation en date (2010) t tablie comme

illustre dans la figure 3 et tableau 1.b :

Figure 3: Masque d'mission indoor en Europe et aux USA

0 5 10 15-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

F(GHz)

PIREmaxiautorise(dBm)

Masque d"missions des signaux ULB en Europe et au USA

Masque FCC

Masque Europen

Tableau 1.b : Rglementation en EuropeTableau 1.a : Rglementation aux USA

Bande defrquence

en MHz

Densit PIRE moyennelimite

dBm/MHz en EuropeSystmes indoor

10600 -85,0

Bande de

frquence

en MHz

Densit PIRE moyenne

limitedBm/MHz aux USA

Systmes indoor0-960 -41,3

960-1610 -75,31610-1990 -53,31990-3100 -51,3

3100-10600 -41,3>10600 -51,3


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I.1.3. Standards de lULB

La technologie ULB est prsente comme une solution trs intressante et innovatrice pour un

grand nombre dapplications, de ce faite deux standards industriels sont proposs pour les

communications bas et hauts-dbits :

La norme IEEE 802.15.3a, avec un dbit pouvant atteindre 480 Mbits/s courte

porte infrieur 10m, ce standard sadressant aux applications multimdia grand

public, et aux rseaux personnels tels que les WPAN ou encore WLAN. Sa couche

physique permet des communications multi-bandes hauts-dbits.

la norme IEEE 802.15.4apour les applications faible dbit, faible consommation

et faible complexit. Les bandes dopration sont les bandes internationales nonlicencies. Les applications potentielles entre autres, sont les systmes de localisation,

les rseaux de capteurs, et les badges intelligents. Ces applications qui demandent des

flux de donnes modrs et une autonomie importante, appartiennent aux LR-WPAN.

I.2. Application des technologies Ultra Large Bande

I.2.1. Applications multimdia

Les systmes ULB ont t cibls dans ces types dapplications afin de remplacer par la suite

les systmes USB, et de rduire le nombre de cbles entre appareils multimdia. La technique

assure alors la connexion entre les priphriques informatiques comme les imprimantes,

scanners, crans, et plus gnralement les appareils multimdias tels que les appareils photos

et camscopes numriques, les lecteurs audio et vido portables, et les projecteurs vido.

Ceci implique donc le transfert de fichiers volumineux, de ce fait des dbits de transmission

importants. LULB permettra donc ce type de transfert en un temps rduit de lordre de la

minute voire de quelques secondes pour une courteporte, distance 10 mtres.

Figure 4 : Exemple dune application multimdia ULB


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I.2.2. Applications industrielles

Traditionnellement, dans un entrept industriel, pour localiser un objet spcifique sur une

palette delta dans un conteneur beta, on utilise la technologie d'identification par

radiofrquences ou RFID. Mais cette technologie n'est pas robuste dans un environnement

multi-trajets, ce qui peut causer des erreurs de lecture. Il faut ajouter aussi que cette

technologie a une prcision relativement faible ( 30 cm).

La technologie ULB est quant elle beaucoup plus robuste dans un environnement complexe.

Aujourd'hui il existe un systme ULB de localisation commercial (figure 5), fonctionnant

dans la bande [3,1-10,6 GHz], et qui est utilis dans les hpitaux (suivi de personnes) ou dans

les industries (suivi dun objet).

Figure 5 : Systme de localisation industrielle ULB

I.2.3. Applications transport

Cette catgorie comprend de nombreux exemples qui gravitent autour dinformation pour des

utilisations externes et internes lies essentiellement aux vhicules terrestres ou ferroviaires,

mais galement applicable dans le domaine maritime et aronautique dont principalement :

Les radars automobiles pour les systmes anticollisions, capteur dactivation des

coussins gonflables, dtection de l'tat et du relief de la route;

La localisation prcise du vhicule par rapport aux autres ;

La communication inter-vhicules permettant lchange de donnes (carnet de

bord) entre vhicules, afin dadapter la conduite selon les donnes reues ;

La communication vhicule-infrastructure, permettant galement lchange de

donnes dont notamment ltat ainsi que le comportement de la conduite, il est de

plus un systme de prvention en cas dincident sur la route les secours seront

alors averti de la situation afin dintervenir dans les plus bref dlais ;


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LULB, se transforme ainsi en un systme dairbag autour du vhicule:

Figure 6 : Rseaux V2V et V2I ULB

I.2.4. Applications mdicales

Les systmes ULB sont utiles dans les hpitaux et domicile, o ils peuvent mesurer

distance les battements cardiaques et respiratoires et autres paramtres vitaux (Figure 7). Mais

ceci ncessite des transmissions fiables avec un haut-dbit. Une autre application importantede lULB concerne limagerie mdicale, elle permet de dtecter les mouvements dune

personne de faon non invasive, on peut ainsi voir des images du cur, de la poitrine ou des

poumons.

Il existe bien dautres applications en mdecine o les radars ULB sont utiliss. On peut citer

entre autres la prvention dapparition de cancers, ou encore la surveillance du syndrome de la

mort subite du nourrisson.

Figure 7 : Exemple dune application mdicale de lULB


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I.3. Chaine de transmission IR-Ultra Large Bande

I.3.1. Techniques de modulation associes lULB

Les signaux IR-ULB sont constitus dune suite dimpulsions qui sont modules et codes en

temps. Les modulations gnralement utilises sont les modulations classiques suivantes(Figure 8) qui peuvent tre binaires ou M-aires :

PAM (Pulse Amplitude Modulation) : Consiste faire varier lamplitude des

impulsions mises pour coder les diffrents tats ;

OOK (On Off Keying): 0 correspond un signal nul et 1 correspond une

impulsion, un seul bit est transmis par priode ;

PPM (Pulse Position Modulation) : 0 correspond une impulsion sur la

premire moiti de la dure du bit et 1 correspond une impulsion sur la

seconde moiti de cette dure ;

BPSK (Binary Phase Shift Keying) : modulation base sur le codage de

linformation en se basant sur la polarit.

Figure 8 : Modulations ULB

Dans notre projet, on utilisera une combinaison de modulations appele PPM-Bipolaire ou

encore OAM, qui sera dtaill par la suite.

I.3.2. Formes donde associes lULB

Les formes dimpulsions gnralement adoptes pour les communications ULB, sont les

formes dondes classique de type impulsion gaussienne, et ses drives (monocycle,). Mais

on peut galement utiliser de nouvelles formes donde tablies sur les polynmes

orthogonaux, dont particulirement les polynmes de Gegenbauer.


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Impulsion gaussienne:

Elle est dfinie par lquation suivante :

(I.3)

O A dsigne lamplitude de limpulsion en volt, t le temps en seconde, et Tm la largeur delimpulsion en seconde. Les reprsentations en temps et en frquence de limpulsion

Gaussienne sont donnes dans la figure suivante :

Figure 9 : Reprsentation temporelle et frquentielle de limpulsion gaussienne

Le principal avantage de cette impulsion est quil existe des gnrateurs permettant de gnrer

des impulsions dont la forme est effectivement proche de lexpression analytique qui la

dfinissent. En revanche, le dfaut de limpulsion gaussienne rside dans sa valeur moyenne

non nulle, qui correspond dans le domaine frquentiel une composante continue importante.Elle ne peut donc pas se propager sans dformation, et on lui prfre gnralement sa drive

premire le monocycle gaussien.

Impulsion monocycle:

La drive premire Gaussienne est obtenue partir de lquation suivante:

(I.4)

Figure 10 : Reprsentation temporelle et frquentielle de limpulsion monocycle


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Polynmes de Gegenbauer:

Les polynmes de Gegenbauer sont orthogonaux sur l'intervalle [- 1, 1], c.--d. que :

(I.5)Et ils sont dfinispar lquation diffrentielle de second degr suivante :

(I.6)Les ordres des polynmes de Gegenbauer apparaissent quand on rsout l'quation suivante :

(I.7)

Dans les figures 11.a, .b, .c, les quatre premiers ordres des impulsions de Gegenbauer sontreprsents avec =1, de mme pour les fonctions dauto-corrlations (resp. inter-corrlation)

des formes d'impulsions modifies de Gegenbauer, pour des ordres n = 03 (resp. 13) :

Figure 11.a : Reprsentation des formes donde

bases sur les polynmes de Gegenbauer

Figure 11.b : Auto-corrlation des formes donde

bases sur les polynmes de Gegenbauer

Figure 11.c : Inter-corrlation des formes donde bases sur les polynmes de Gegenbauer


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I.3.3. Modulation PPM-Bipolaire

La modulation par position dimpulsions (PPM) consiste ajouter un dcalage de temps

quand la donne est 1 , quand le symbole transmis est 0 l impulsion originale est

envoye sans aucun dplacement. Ce qui donne lquation du signal suivante:

(I.8)Ou : - reprsente la squence binaire (0 ou 1)

- reprsente le dcalage ajout

- T reprsente la priode de rptition

- m(t) la forme donde applique

Donc pour la PPM-Bipolaire, elle va permettre denvoyer un premier bit en fonction de la

position de limpulsion (PPM), et galement denvoyer un deuxime bit en fonction du signe

de limpulsion (Bipolaire), cela permet donc denvoyer 2bits/symbole soit 22=4 tats

possibles, soit daugmenter le dbit par deux par rapport un systme ULB classique.

De ce fait on obtient les quatre reprsentations suivantes (tableau 2), avec LSB le bit de

position, et MSB le bit de signe :

Lquation dun symbole tant:

(I.9)Avec : - le bit de poids fort

- le bit de poids faibleLe signal mis sexprime de la manire suivante :

LSB

MSB

0 1

0

1

Tableau 2 : Etats de la modulation PPM-Bipolaire


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(I.10)Avec N le nombre de symboles envoys, ES lnergie dun symbole, et T la priode dun

symbole.

I.3.4. Modulations M-OAM

Le but des systmes ULB tant de fournir du trs haut-dbit, alors que les modulations

classiques utiliss telle que la PPM ne sont pas assez performantes. Cependant il existe une

modulation permettant datteindre du haut-dbit la M-QAM (Quadrature Amplitude

Modulation) M tats. Elle est trs utilise de nos jours, notamment la 64-QAM pour la

norme DVB-C (Digital Video Broadcasting By Cble), malheureusement cette modulation

nest pas applicable dans un systme ULB impulsionnel cause de labsence de porteuse,nanmoins des tudes ont permis dadapter la M-QAM en utilisant des formes dondes

orthogonales en place au lieu des porteuses, ce qui a aboutit une nouvelle modulation la M-

OAM (Orthogonal Amplitude Modulation). Afin dobtenir lorthogonalit de la modulation

M-OAM, les fonctions modifies de Gegenbauer vu prcdemment sont utilises.

Le principe des modulations M-OAM consiste moduler les donnes dmissions parmi M

tats. Avec M=2n (variable), mme principe que la M-QAM. Ainsi en augmentant n on augmente

le nombre de bits transmis et donc le dbit.


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CHAPITRE 2Les canaux IEEE 802.15

La modlisation du canal est une tape importante pour limplantation de nimportequel systme, dautant plus que pour ceux en phase de dveloppement, comme cest le casdes systmes UWB.

Bien que cette modlisation est un des lments clef de la chane globale dusystme (metteurcanalrcepteur), elle doit tenir compte de la distance entre lesdeux antennes, des multi-trajets et du type de signal.

Dans ce chapitre, nous verrons les diffrents types de modlisations possibles. Puis, nousdcouvrirons les modles de canaux existants adapts lUWB.


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Chapitre II: Les canaux IEEE 802.15

II.1. Les types de modlisation

Les canaux de propagations se modlisent de trois manires:

Le modle dterministe :Dans ce cas le canal est assimil un filtre linaire variant

dans le temps. Il est donc possible de modliser tous les environnements, mais le

calcul demeure fastidieux.

Le modle empirique: L il sagit de reproduire les caractristiques de lexprience

avec un modle mathmatique. Cette modlisation require trs peu de temps de

calcul, par contre elle nest pas portable (impossible de changer lenvironnement).

Le modle statistique : A la diffrence du modle empirique, celui-ci considre les

paramtres comme des variables alatoires. Par consquent, il peut bien tre port

des environnements proches de ceux de lexprience.

II.2. Les modles existants

Dans un environnement multi-trajets, il existe diffrents types de modles ; ceux crs

pour des systmes a bande troite puis adapts a lULB tels que :

Rayleigh Fading: Cest un modle conu au dbut pour le wifi (802.11), et cest

dailleurs la cause pour laquelle on craint de lutiliser en large bande. Sa rponse

impulsionnelle est de la forme :

(II.1)avec

Modle -K: Ce modle est discret. Le principe est de diviser laxe temporel

en petits intervalles appels bins . A chaque bin L correspond une

probabilit de contenir un multi-trajets note PLdont la valeur diffre si lintervalle

prcdent contient un trajet : elle est gale K*L sil y a un trajet et L dans le cas

contraire :

(II.2)


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(II.3)

Avec, rL le taux doccupation empirique de lintervalle L. La variable K est dfinie de

telle sorte que, pour K1 les trajets

arrivent en paquets. Soient L, la rponse impulsionnelle de lintervalle L et |L|lamplitude des multi-trajets, de distribution log normale et dcroissante

exponentiellement.

et (II.4)Ou pLest la polarit des multi-trajets (quiprobable +/-1), et n suit une loi normale.

Ce modle est intressant du fait quil gre les multi-trajets mais il estimpossible de modliser un systme en LOS (Line Of Sight) et NLOS (Non Line Of

Sight) simultans, cause de la prsence dune unique exponentielle dcroissante pour

lamplitude des multi-trajets.

Et ceux ddis lULB, dont le modle le plus complet est celui de Saleh-Valenzuela, avec

lequel on va travailler pour la modlisation de notre canal :

Saleh-Valenzuela: Cest un modle statistique qui postule que les trajets arrivent parpaquets. Soient, Tlet kl, respectivement le temps darrive du lime paquet et le temps

darrive du kime trajet du lime paquet. Ce sont des variables statistiques

indpendantes de loi de Poisson de paramtres et :

et (II.5)

Avec T0 = 0 et 0l = 0

On introduit le gain du kime trajet du limepaquet, kl ainsi que sa phase, note kl.

Do la rponse impulsionnelle du canal :

(II.6)Avec {kl} sont des variables alatoires statistiques positives indpendantes et {kl}

sont des variables statistiques alatoires uniformes indpendantes sur [0,2].


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Figure 12 : Dcroissance exponentielle des puissances des paquets et des trajets

Ce modle a t implment par lIEEE dans chacun des deux canauxspcifiques un

systme Ultra Large Bande : 802.15.3a et 802.15.4a.

II.3. Les canaux 802.15.3a

Pour prendre compte du phnomne de regroupement des rayons en clusters observ dans

plusieurs campagnes de mesures, IEEE 802.15.3a sest bas sur le formalisme de Saleh et

Valenzuela (cf. II.2). Des paramtres sont fournis pour caractriser les taux darrive des

clusters et des rayons , ainsi que les coefficients de dcroissance exponentielle inter- et

intra-clusters ( et ).

Quatre jeux de paramtres sont fournis pour modliser quatre types de canaux :

Le modle de canal CM 1 :correspond une distance de 0 4 m en situation LOS;

Le modle de canal CM 2 :correspond une distance de 0 4 m en situation NLOS;

Le modle de canal CM 3: correspond une distance de 4 10 m en situation NLOS;

Le modle de canal CM 4 :correspond une situation NLOS avec une importante

dispersion des retards RMS= 25 ns.

Concernant lattnuation du canal, le modle IEEE 802.15.3a propose une approche thorique

en utilisant un coefficient de pertes par propagation Nd = 2 pour la situation LOS, ce qui

quivaut une propagation en espace libre.


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II.4. Les canaux 802.15.4a

Afin de sadapter un plus grand nombre dapplications potentielles, le groupe de travail

IEEE 802.15.4a a propos un modle largi la fois en frquences et en types

denvironnement. Les applications vises sont de type bas dbit (de 1 kbit/s quelques

Mbit/s), dans des environnements intrieurs (rsidentiel et de bureau), extrieurs, mais aussi

industriels et corporels (pour les applications WBAN). Deux bandes de frquences ULB sont

considres : 2 10 GHz et 0,1 1 GHz. Nous prsentons le modle correspondant la

premire bande de frquences.

La forme gnrale de ce modle statistique reprend celle du modle IEEE 802.15.3a. On peut

cependant noter quelques diffrences sur la forme de la rponse impulsionnelle :

La phase k,l de chaque rayon ne prend plus uniquement les valeurs 0 ou , mais estdistribue uniformment entre 0 et 2. Ce modle reproduit ainsi lenveloppe

complexe de la rponse impulsionnelle en bande de base.

Larrive des rayons suit une loi mixte compose de deux processus de Poisson. Le

modle propose donc deux taux darrive des rayons 1 et 2, ainsi quun paramtre

de mixit.

Enfin, la dcroissance exponentielle de chaque cluster augmente avec le retard. On a

donc une dpendance du coefficient de dcroissance exponentielle intra-cluster du

type :

l= kTl+ 0 (II.7)

O Tlreprsente linstant darrive du lime cluster, et kdcrit laugmentation du coefficient

lavec le retard.

La diffrence majeure du modle IEEE 802.15.4a par rapport au modle IEEE 802.15.3a

rside dans la prise en compte dune modlisation raliste des pertes par propagation, la fois

en distance et en frquence. Le modle propos se veut indpendant des antennes utilises.

Ce modle prsente lavantage dtre trs complet, auprix dune complexit accrue.Plusieurs

jeux de paramtres sont fournis, bass sur des mesures exprimentales pour chaque

environnement: rsidentiel, bureautique, industriel, et extrieur.


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CHAPITRE 3Simulation de la chaine de

transmission

Pour mettre en uvre notre systme ULB, nous avons essay dimplmen ter chacun des

lments de la chaine de transmission, savoir lmetteur, le canal, ainsi que le rcepteur.

Le but de ce chapitre est de prsenter chacune des fonctions utilises dans Matlab afin de

simuler, lmetteur en utilisant la modulation 4-OAM avec des formes donde bases sur

les polynmes de Gegenbauer, le canal 802.15.3a implment suivant les quatre modles

CM1,, CM4, et finalement la dmodulation la rception.

Pour examiner les performances de notre systme, nous avons calcul le BER en fonction

du SNR pour chaque CM ainsi que pour un canal AWGN, puis on a compar les rsultats.


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Chapitre III: Simulation de la chaine de transmission

III.1. Emetteur

Pour simuler cette partie de la chaine, nous avons implment deux fonctions :

gegeny () : Le but de cette fonction est de gnrer les formes dondes bases sur l es

polynmes de Gegenbauer, elle prend comme entre lordre du polynme(0,1,9) ainsi

que la frquence dchantillonnage:

Entres :

Ordre: Lordre du polynme ;

Fs: La frquence dchantillonnage.

Sortie :

G: La forme donde.

Dans notre simulation nous avons utilis seulement la forme donde dordre un (G1).

codageuwb () : La modulation utilise est la 4-OAM quon a vu prcdemment, donc le

but de cette fonction est daffecter chaque symbole gnr par la source une forme

donde, comme le montre le tableau 2 du chapitre 1 :

Entres :

symboleG1: La forme donde gnre par la fonction gegeny () ;

data: Les donnes moduler.

Sortie :

s :Le signal modul

III.2. Canal de propagation

III.2.1. Fonctions utilises dans limplmentation

Pour simuler notre canal de propagation ULB propos dans la normalisation, on doit

dterminer la rponse impulsionnelle de chacun de ses quatre modles. Pour cela, nous avons

utilis sous Matlab trois des fonctions originales modlisant ce canal, quon va dtailler tout

de suite :


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uwb_sv_params () : La seule entre de cette fonction est le numro du modle du canal

(14), et ce programme donne en sortie toutes ses caractristiques exprimentales

correspondant ce numro, qui sont :

Lam: Taux darrive des paquets (en paquets par nanoseconde);

Lambda: Taux darrive des trajets (en trajets par nanoseconde);

Gam: Facteur daffaiblissement du paquet (temps constant, nanoseconde);

Gamma: Facteur daffaiblissement du trajet (temps constant, nanoseconde);

std_ln_1: Pente de la variable log-normale reprsentant laffaiblissement du paquet;

std_ln_2: Pente de la variable log-normale reprsentant laffaiblissement du trajet;

nlos: Dtermine si lon se place en configuration NLOS;

std_shdw: Pente de la variable log-normale reprsentant la rponse impulsionnelle.

Les valeurs de ces paramtres pour les quatre modles sont regroupes dans le tableau 3:

Modle CM1 : 0-4m (LOS) CM2 : 0-4m (NLOS) CM3: 4-10m (NLOS) CM1 : >10 m (NLOS)

Lam 0.0233 0.4 0.0667 0.0667

Lamnbda 2.5 0.5 2.1 2.1

Gam 7.1 5.5 14.00 24

Gamma 4.3 6.7 7.9 12

std_ln_1 4.8/2 4.8/2 4.8/2 4.8/2std_ln_12 4.8/2 4.8/2 4.8/2 4.8/2

Nlos 0 1 1 1

Std_shdw 3 3 3 3

Tableau 3: Caractristiques des canaux CM1, CM2, CM3 et CM4

uwb_sv_model_ct () : Cette fonction a comme entres les donnes rcupres de

uwb_sv_params () afin deffectuer un nombre de ralisations continues (ou de

rponses impulsionnelles) du canal, que lon spcifie aussi en entre de cette fonction :Entres :

num_channels: nombre de ralisations du canal souhait ;

Paramtres: les huit valeurs donnes par uwb_sv_params () .

Sorties :

h: une matrice dont chaque colonne reprsente une ralisation alatoire du modle ;

np: un vecteur ligne contenant le nombre de trajets par ralisation ;


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t0 : un vecteur ligne qui regroupe les temps darrive du premier paquet de chaque

rponse ;

t : une matrice dont chaque colonne contient les positions de chaque trajet dont

lamplitude est stocke dans h.

uwb_sv_cnvrt_ct () : Cette fonction permet de transformer une rponse continue du

modle en rponse discrte ainsi que correspondre chaque numro de position

lamplitude de la rponse.

Entres :

h: la rponse continue du modle retourne par uwb_sv_model_ct () ;

t: la matrice retourne par uwb_sv_model_ct() ;

np: le vecteur contenant le nombre de trajets par ralisation ;

num_channels: le nombre de ralisations alatoires souhaites ;

ts: la priode dchantillonnage souhaite.

Sorties :

hN: la rponse discrte ;

N: le nombre de fois que la rponse est sur-chantillonne.

III.2.2. Rponses impulsionnelles observes

Figure 13.a : Rponse impulsionnelle du CM1

On remarque ici que les retards ont relativement des valeurs faibles qui natteignent pas les

400 ns, ce qui est logique vu quon est dans un environnement LOS (Line Of Sight).


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Figure 13.b : Rponse impulsionnelle du CM2

Figure 13.c : Rponse impulsionnelle du CM3

Figure 13.d : Rponse impulsionnelle du CM4


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Pour les trois derniers modles, on se positionne dans un environnement NLOS, et on

remarque bien ici que les retards augmentent proportionnellement la distance et peuvent

atteindre les 2000 ns.

III.2.3. Filtrage du signal par le canal

Aprs la modulation du signal mis, on va le filtrer par la fonction canal () :

canal () : Elle prend comme paramtres, de plus que notre signal, la rponse

impulsionnelle gnre prcdemment :

Entres :

h: La rponse impulsionnelle du canal ;

s: Le signal mis modul.

Sortie :

y: Le signal aprs sortie du canal.

III.3. Rcepteur

La seule fonction que nous avons utilise dans ce bloc est decodageuwb () :

decodageuwb (): Elle a pour but dextraire partir du signal reu les donnes originales.

Pour ce faire, elle inclut trois procdures suivre :

Inter-corrlation entre le signal reu et la forme donde G1 utilise lmission;

Dtermination de la valeur du bit de poids faible LSB , selon la position ;

Dtermination de la valeur du bit de poids fort MSB , selon la polarit.

Entres :

s: Le signal reu ;

G1: La forme donde;

Lsymb: La longueur du symbole.

Sorties :

LSB : Le bit de poids faible ;

MSB: Le bit de poids fort ;

rdata: Le signal reu dmodul.


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III.4. Calcul du BER en fonction du SNR

Pour vrifier les performances de notre systme, nous avons calcul le BER en fonction du

SNR pour chaque CM.

Pour cela, nous avons utilis le fichier main pour intgrer la chaine de transmission danssa totalit puis calculer le BER pour chaque valeur du SNR (-10dB,,20dB). Ce dernier est

ralis en comparant chacun des LSB et MSB reus (sorties de la fonction decodageuwb

avec ceux mis aprs modulation.

Pour valuer les rsultats obtenus des CM, nous allons les comparer avec le BER calcul de la

mme manire avant lintroduction du canal ULB, c'est--dire celui de lAWGN, et ceci grce

la fonction ber_awgn_fct () :

Figure 14: Trac du BER en fonction du SNR pour AWGN, CM1, CM2, CM3 et CM4

En analysant le graphe de la figure 14, on constate que la pente diffre dun CM un autre vu

les paramtres entrant en jeu, a savoir LOS/NLOS, la distance metteur/rcepteur qui est

proportionnelle au BER, ainsi que le SNR qui est inversement proportionnel pour le CM1 et

CM2.

Avant l'introduction du canal, la valeur du BER prenait des valeurs infrieures ou gales a

42,6% pour un SNR variant de -10dB a -20dB. Alors qu'avec les canaux introduits, on

remarque une dgradation du signal qui peut augmenter la valeur du BER jusqu'a 53,5% si onse positionne dans un environnement dfavorable.


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CHAPITRE 4

Amlioration des performances

Dans les systmes de radiocommunication, le signal transmis va emprunter des trajets

diffrents avant darriver au rcepteur. Ces trajets multiples ont des longueurs physiques

diffrentes, ainsi, le signal issu de chaque trajet arrive avec une amplitude et un retard

propre au trajet. Ces chos induisent un talement temporel du signal donnant lieu un

phnomne dinterfrence entre symboles transmis, ce qui augmente le taux derreurs.

Dans ce chapitre nous avons essay damliorer les rsultats obtenus prcdemment, ceci

en implmentant quelques unes des solutions proposes pour lutter ce phnomne. Parmi,

on retrouve les techniques dgalisation introduites au niveau de la rception, a insi que le

Rake Receiver qui utilise les multi-trajets dune manire constructive.


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Chapitre IV: Amlioration des performances

IV.1. Techniques dgalisation

IV.1.1. Zero-Forcing

Le Zero Forcing est un filtre qui tente dinverser exactement la fonction de transfert du canal,ce qui est a priori prcisment le but recherch, idalement, par lgalisation. Ce faisant,

linterfrence entre symboles (IIS) est exactement compense, et lon dit que linterfrence

entre symboles est force zro. On a ainsi :

(IV.1)O E(z) est la fonction de transfert de lgaliseur, et H(z) celle du canal de transmission.

On peut sapercevoir du premier dfaut de cette dmarche, en effet h(n) de notre cana est une

rponse impulsionnelle finie, alors e(n) sera infinie.

De plus, la sortie de lgaliseur, on obtiendra le signal suivant :

(IV.2)O b(n) est le bruit blanc filtr par lgaliseur.

Lannulation des interfrences entre symboles se fait donc au prix dune augmentation

sensible du niveau de bruit. En effet, la fonction de transfert du canal est de type passe-bas, et

son inverse est de type passe haut, donc lorsque lebruit est large bande, il sen suit une forte

augmentation du bruit et ainsi une forte dgradation du rapport signal--bruit. Ainsi, en dehors

du cas o lon est assur dun faible niveau de bruit, cette solution nest pas retenir.

IV.1.2. MMSE

Lide de lgaliseur erreur quadratique minimale (MSE ou EQM) est de minimiser lerreur

quadratique entre la squence dentre (symboles) et la sortie de lgaliseur. Le bruit est ainsi

pris en compte dans le critre. On cherche ainsi minimiser lerreur quadratique moyenne :

(IV.3)Avec

est la sortie de lgaliseur, et y(n) est la sortie du canal.

Donc on aura :


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Ainsi, la minimisation de lerreur quadratique moyenne est obtenue pour :

Soit :

On tire de cela :

Do:

(IV.4)

O est la fonction dauto-corrlation de et celle dinter-corrlation entre eta.Si lgalisation obtenue est de meilleure qualit que celle fournie par un zro forcing, en

raison de la prise en compte effective du bruit, elle reste souvent de qualit mdiocre, en

prsence dvanouissementsslectifs.

IV.1.3. Rake Receiver

Dans un environnement multi-trajets tel que le notre, les canaux utiliss ont la particularit de

transformer le signal transmis en un ensemble de copies de ce signal. Ainsi les chos produits

viennent se superposer au signal initialement mis et dgrader la rception. Cette proprit est

appele multipath fading , et peut tre exploite en recevant les signaux des trajets

multiples sparment et en les combinant de faon cohrente par lemploi dun rcepteur en

rteau (RAKE).

Figure 15 : Architecture dun rcepteur Rake avec trois doigts


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Le principe la base d'un rcepteur RAKE est le suivant : les retards des diffrents signaux

reus selon diffrents trajets sont compenss, aprs quoi les signaux sont combins de faon

renforcer le signal dstal. Il s'agit fondamentalement d'une srie de corrlateurs parallles

(pour le dstalement) appels doigts (RAKE fingers). Chaque doigt reoit, traite et

combine un trajet du signal. Comme chaque doigt reoit une copie du mme signal (un trajet),et que chaque trajet a un retard diffrent, le code dtalement (dans lopration de

dstalement) doit tre retard dune mme dure pour le synchroniser avec le trajet

correspondant.

De ce fait, on fera appel quatre blocs primordiaux :

Dtecteur de trajets multiples :

Par dfinition, le dtecteur de trajets multiples (Path Searcher) estime le retard de chaque

composante du trajet multiple. Ce travail de dtection de trajet est trs important pour

l'opration de dstalement de spectre.

Dans notre systme de communication ULB, nous arrivons rcuprer les pics les plus forts

ainsi que leurs points dacquisition partir de la rponse impulsionnelle du canal. Cela reste

valable tant que ce dernier est stable dans le temps.

En principe, le premier pic fort dtermine le premier trajet ainsi que son temps darrive, les

pics suivants dterminant les autres trajets du signal. Par la suite, on attribue chaque trajet

dtect un doigt du rcepteur.

Gnrateur de codes :

Ltape dextraction et didentification des trajets multiples ncessite un gnrateur de code,

qui doit fournir les codes correspondants aux signaux reus afin de les dstaler correctement.

Par ailleurs, le gnrateur de code peut tre partag entre les doigts; de fait, chaque doigt du

rcepteur RAKE n'a pas ncessairement besoin dun gnrateur de code ddi. Mais dans ce

cas-l, nous devons changer la phase de chaque code avant de le prsenter au doigt. En effet,

cette phase dpend du retard fourni au doigt par le dtecteur de trajets multiples.

Dans notre systme de communication ULB, les codes gnrs correspondent aux formes

donde bases sur le polynme de Gegenbauer dordre 1, qui seront dcales par rapport

chacun des doigts du rcepteur.


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Corrlateur :

Cette opration est faite paralllement au niveau de chaque doigt du rcepteur, et seffectue en

deux tapes : Le dstalement et lintgration.

Cela se concrtise dans notre systme ULB par linter-corrlation faite entre chaque trajetdtect et la forme donde G1 retarde. A la sortie de ce bloc, on retrouve autant de sign aux

que de doigts, dont la combinaison nous fournit un signal reu dnergie utile plus importante,

ce qui augmente la capacit du systme.

Combinateur :

La combinaison linaire des doigts du rcepteur RAKE peut se faire de plusieurs manires.

Les deux techniques les plus connues sont :

La moyenne pondre ou bien la MRC (Maximal Ratio Combiner) qui consiste

attribuer chacun des signaux dstals un poids avant de faire leur moyenne ;

La moyenne arithmtique, qui est gnralement utilise dans un rcepteur classique.

la sortie du rcepteur, le rapport de signal sur bruit sera maximis, parce que le SNR final

sera gal la somme des SNRs des diffrents trajets multiples. Vu que ceux indiqus aux

doigts du rcepteur RAKE sont ceux de pics le plus fort, cette mthode de combinaison donnede meilleurs rsultats.

IV.2. Implmentation du Rake

Dans notre systme ULB, on choisit dimplmenter un rcepteur Rake avec quatre doigts.

IV.2.1. Dtecteur des trajets multiples

Ce premier bloc primordial sera reprsent par la fonction detecteur () , qui aura pour rle

dextraire partir de la rponse impulsionnelle du canal les quatre pics les plus forts ainsi que

leurs positions dans la matrice, et de fournir en sortie les retards correspondants :

detecteur () : Elle prend comme paramtres, la rponse impulsionnelle et les instants

darrive de chaque trajet.

Entres :

h: La rponse impulsionnelle du canal ;


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t: La matrice contenant les positions de chaque trajet.

Sortie :

R: La matrice contenant les retards des quatre trajets les plus puissants.

IV.2.2. Gnrateur de codes

Comme on la dj mentionn, les codes pour notre cas sont les formes donde retardes. Pour

les gnrer nous avons utilis la fonction generateur () , qui aura pour rle dutiliser les

retards fournis par detecteur () afin de dcaler la fonction de Gegenbauer quon a utilis :

generateur () :Elle prend comme paramtres la forme donde original et les retards, et

fournit la sortie quatre formes donde dcales:

Entres :

G1: La forme donde utilise ;

R: La matrice contenant les retards des quatre trajets.

Sorties :

G_Ri: La ime forme donde dcale par le retard i avec i=1,4 .

IV.2.3. Corrlateur et combinateur

Pour ces deux blocs, nous avons utilis une seule fonction uwbRake () . Au premier lieu,

elle va faire quatre corrlations parallles de chacune des formes donde gnres par

generateur() avec le signal reu, puis elle fera une moyenne arithmtiques des quatre

signaux. Et comme cest le cas pour la fonction decodageuwb () , uwbRake () va

extraire les donnes originales partir des LSB et MSB :

uwbRake () : Elle prend comme paramtres le signal reu, les quatre formes donde

dcales, ainsi que la longueur du symbole qui aidera faire la dcision :

Entres :

sb: Le signal reu ;

G_Ri: La ime forme donde dcale par le retard i avec i=1,4;

Lsymb: La longueur du symbole.


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Sorties :

LSB : Le bit de poids faible ;

MSB: Le bit de poids fort ;

rdata: Le signal reu la sortie du Rake.

IV.3. Calcul du BER en fonction du SNR

Pour vrifier les rsultats obtenus aprs introduction du Rake Receiver, nous avons utilis un

fichier main_Rake similaire au prcdent, sauf que nous avons remplac la fonction

decodageuwb () par uwbRake .

Pour comparer ces rsultats avec ceux obtenus prcdemment, nous avons choisi de tracer

pour chaque CM : le graphe AWGN, celui en introduisant le canal seul, puis en introduisant le

Rake. Les rsultats dont les suivants :

Figure 16.a : Comparaison des rsultats du CM1, avant et aprs le Rake

Comme on l'avait vu dans le chapitre 3, les performances du CM1 taient presque identiques

celles du canal AWGN pour -10dBSNR4dB, mais relativement mdiocres pour des valeurs

suprieures 4dB.

Etant donn que le Rake lutte contre l'effet des trajets-multiples et ainsi l'attnuation du signal

reu, son implmentation aprs le CM1 a donn de meilleurs rsultats tout au long de l'axe duSNR, puisqu'on a pu atteindre pour les 11dB un BER de 0,03%.


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Figure 16.b : Comparaison des rsultats du CM2, avant et aprs le Rake

Lapport du rcepteur RAKE avec le CM1 a pu donner plus de fruits quavec le CM2, et

daprs la figure 16.b on constate quaprs une valeur du SNR gale 15dB, il ny a plus

damlioration.

Prenons lexemple de l o il y plus de gain , pour un SNR=10dB, le BER a pass de 3,9% a

2,7%.

Figure 16.c : Comparaison des rsultats du CM3, avant et aprs le Rake


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Figure 16.d : Comparaison des rsultats du CM4, avant et aprs le Rake

Lintroduction du rcepteur Rake avec les canaux CM3 et CM4 (Figures 16.c et 16.d) napas

aboutie une amlioration perceptible des performances du systme par rapport son

inexistence.

Pour le CM3, les 38% du BER (pour SNR=3dB) ont t remplac par 36%, alors que pour leCM4 on a pass de 54,5% a 51% pour un SNR=-1dB, et cela peut tre du aux conditions

extrmes du canal, qui reprsente un environnement NLOS avec une distance

metteur/rcepteur qui dpasse les 4m pour le CM3 et les 10m pour le CM4.


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Conclusion gnrale

Les travaux prsents dans ce mmoire on t raliss au sein de lEcole

Nationale des Sciences Appliques de Marrakech dans le cadre dun projet de

semestre de la 5me anne gnie rseaux et tlcommunications . Lobjectif

initial de ce travail tait limplmentation du canal 802.15.3a en utilisant la

modulation 4-OAM et en fin de compte analyser les performances du systme

en calculant le BER.

On sest avis aprs que les performances sont dgrades, alors nous avonssong intgrer une solution la rception pour pallier cette dtrioration, et

on a opt pour le RAKE.

La premire partie a donn de bons rsultats pour le CM1 et moyens pour le

CM2, par contre ceux de CM3 et CM4 taient relativement mdiocres pour toute

valeur du SNR. On peut en dduire que la distance entre les antennes (mettrice

et rceptrice) joue un rle trs important pour dterminer les performances de

notre systme Ultra large bande.

Plusieurs solutions ont t proposes pour remdier aux effets introduits par le

canal, telles que le forage a zro, la MMSE et le RAKE. Comme cest dj

mentionn, le RAKE tait notre choix qui a pu rduire le BER pour le CM1 et

CM2. Pour ce qui concerne le CM3 et le CM4 lapport du RAKE ntait trs

marquant.

Alors en guise de perspective, limplmentation dun autre galiseur sera trs

intressante et plus prcisment lgaliseur MMSE. Pour de meilleurs rsultats,

nous pouvons mme tudier la possibilit de combiner le MMSE avec le

rcepteur RAKE.

memoire skiribou knadel

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