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Caractérisation et modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques à 60 GHz à lintérieur des bâtiments Sylvain Collonge Soutenance de doctorat.

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1 Caractérisation et modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques à 60 GHz à lintérieur des bâtiments Sylvain Collonge Soutenance de doctorat 17 décembre 2003

2 2 Plan de lexposé Contexte de létude Caractérisation du canal Modélisation du canal Recommandations et perspectives Conclusion

3 3 Plan de lexposé Contexte de létude Les télécommunications sans fil Les réseaux locaux sans fil Les ondes millimétriques Le projet RNRT Commindor Caractérisation du canal Modélisation du canal Recommandations et perspectives Conclusion

4 4 Télécommunications sans fil Contexte de létude

5 5 Enjeux actuels Atteindre les débits des réseaux câblés Dépasser les 100 Mbit/s Assurer la compatibilité entre réseaux (ATM, IP, 3G, etc.) Supporter tout type de services Flux vidéo, audio, images, textes, données Garantir la sécurité et la qualité de service Assurer une configuration transparente Contexte de létude

6 6 Réseaux locaux sans fil (WLAN) Sans fil : souplesse dutilisation Équipements mobiles ou nomades Déploiement : intérieur des bâtiments Zones dintense activité (gares, hôtels, …) Réseaux dentreprises Réseaux domestiques Complémentarité avec les réseaux radiomobiles WLAN : faible mobilité, haut débit, faible couverture Radiomobile : forte mobilité, faible débit, grande couverture Contexte de létude

7 7 Les ondes millimétriques Ressources spectrales : denrée rare Haut débit : larges bandes nécessaires Éviter linterférence entre réseaux proches Montée en fréquence Intérêt des ondes millimétriques : Larges bandes disponibles Réutilisation des fréquences facilitée Compacité des équipements Contexte de létude

8 8 Le projet Commindor (99-02) Objectifs : étude sur la faisabilité de réseaux domestiques sans fil à 60 GHz assurant un débit de plus de 155 Mbit/s Applications visées : interconnexion déquipements multimédia grand public Verrous scientifiques, technologiques et économiques : Étude de la propagation à 60 GHz en milieu domestique Optimisation de la topologie réseau et de la couche système Conception et technologies millimétriques bas coût Contexte de létude

9 9 Objectifs de létude Constat Intérêts pour des applications à 60 GHz Peu détudes complètes du canal à 60 GHz Besoin de modèles fiables, basés sur des mesures Apports de létude : Mieux connaître les spécificités du canal à 60 GHz Permettre des simulations systèmes réalistes Enrichir les réflexions sur les architectures réseaux Contexte de létude

10 10 Plan de lexposé Contexte de létude Caractérisation du canal Présentation des campagnes de mesure Influence de lactivité humaine Influence de lemplacement et du type des antennes Bilan des difficultés et propositions de solutions Modélisation du canal Recommandations et perspectives Conclusion

11 11 Démarche Campagnes de mesure sur site 5 campagnes de mesure 3 environnements Paramètres étudiés Influence de lactivité humaine Influence de lemplacement des antennes Influence des caractéristiques des antennes Influence du mobilier Caractérisation du canal -> présentation des campagnes de mesures

12 12 Système de mesure à 60 GHz Sondeur de canal (développé par lIETR) Basé sur la technique de Cox Résolution temporelle : 2.3 ns Fenêtre dobservation : jusquà 1 µs Doppler observable : plusieurs kHz Puissance émise : 0 dBm Dynamique relative : 40 dB Antennes : Cornets Ouverture à –3 dB: 10° Gain : 22.4 dB Patches Ouverture à –3 dB: 58° Gain : 4.2 et 1.6 dB Caractérisation du canal -> présentation des campagnes de mesures

13 13 Propagation à 60 GHz Difficulté majeure : perte de la visibilité Le corps humain est un obstacle à 60 GHz Risque de coupures des liaisons Les liaisons entre pièces savèrent difficiles Réduction de la couverture des réseaux Comment mesurer ces difficultés ? Quelles solutions apporter ?

14 14 Influence de lactivité humaine Caractérisation du canal -> Influence de lactivité humaine Mesures à long terme : séries de 42 minutes Antennes fixes (3 emplacements, 3 associations dantennes) Activité humaine naturelle (0 à 15 personnes) Utilisation dune caméra vidéo Environ 20h de mesure au total Tx10 pers. 1-5 pers pers pers. CC55 min141 min62 min6 min PC33 min92 min56 min15 min PP23 min113 min22 min4 min

15 15 Phénomène dobstruction Caractérisation du canal -> Influence de lactivité humaine Antenne Rx (cornet)Profil de puissance de la réponse impulsionnelle -90 dBm -80 dBm -70 dBm ns Antenne Tx (patch)

16 16 Caractérisation du phénomène Caractéristiques : Non stationnarité Large bande Description : Niveau constant (A ref ) + Variations lentes + Pics datténuations Quantification : Seuil de détection Franchissement du seuil Définition de caractéristiques Caractérisation du canal -> Influence de lactivité humaine A(t) : variation temporelle de latténuation

17 17 Définition des obstructions Caractérisation du canal -> Influence de lactivité humaine Moments de franchissement Td obs et Tf obs Durée de lobstruction D obs = Tf obs - Td obs Amplitude moyenne Temps de montée Pente en dB/s Pseudo-période

18 18 Séries dobstructions Caractérisation du canal -> Influence de lactivité humaine Observations : Obstructions proches A(t) > A ref entre obstructions Séries dobstructions Caractéristiques : Durée Amplitude Pseudo-période Temps de montée

19 19 Résultats statistiques Durée : Augmente avec le nombre de personnes dans lenvironnement Peu dinfluence du type dantenne Valeurs médianes typiques : 100 ms (1-5 personnes) 150 ms (6-10 personnes) 300 ms (11-15 personnes) 90 e percentiles : 1.5 s (1-5 personnes) 3.0 s (6-10 personnes) 10.0 s (11-15 personnes) Amplitude : Ne dépend pas du nombre de personnes Antenne cornet : ~ 80% des séries sont > 15 dB Antenne patch : ~ 50% des séries sont > 15 dB Caractérisation du canal -> Influence de lactivité humaine

20 20 Définition : Pour les séries dobstructions > 20 dB : Résultats bruts : 1-5 personnes : 0.5 – 2.5 % 6-10 personnes : 1.0 – 6.0 % Résultats corrigés (élimination des valeurs extrêmes) : 1-5 personnes : 0.5 – 2.0 % 6-10 personnes : 1.0 – 2.5 % Indisponibilité du canal Caractérisation du canal -> Influence de lactivité humaine

21 21 Bilan Travail effectué Proposition dune méthodologie pour quantifier le phénomène dobstruction par le corps humain Constitution dune base de données de mesure importante Résultats : Corps humain = obstacle à 60 GHz Atténuation supplémentaire forte D serie >> Durée des symboles Insuffisance des systèmes classiques de traitement des variations temporelles (entrelacement temporel, codage,…) Forte probabilité de coupure des liaisons Nécessité de tirer parti dune diversité Caractérisation du canal -> Influence de lactivité humaine

22 22 Diversité ? Diversité fréquentielle ? Le phénomène dobstruction est large bande Diversité de polarisation ? Les polarisations sont affectées de manière similaire Diversité spatiale ? Obstructions simultanées sur des antennes séparées de quelques longueurs donde Caractérisation du canal -> Difficultés et solutions proposées Diversité angulaire ? Condition nécessaire : variété des angles darrivée

23 23 Propagation multi-pièce Contribution très rare du trajet direct Répartition angulaire de la puissance plus diffuse Importance des « ouvertures électromagnétiques » (portes…) Caractérisation du canal -> Propagation multi-pièce

24 24 Influence des antennes (LOS) Patch : Sélectivité fréquentielle faible sur un secteur unique et large autour de la direction du trajet direct Cornet : Sélectivité fréquentielle faible sur plusieurs secteurs angulaires étroits Caractérisation du canal -> Influence de lemplacement et du type dantenne Trajet direct

25 25 Influence des antennes (NLOS) Patch : Sélectivité fréquentielle forte (bande de cohérence <100 MHz) Cornet : Sélectivité fréquentielle faible sur plusieurs secteurs angulaires étroits Caractérisation du canal -> Influence de lemplacement et du type dantenne

26 26 Bilan Configurations mono-pièce Importance du trajet direct Sélectivité fréquentielle similaire avec cornet et patch Avantage du patch : pointage intuitif Avantage du cornet : plusieurs angles darrivée Configurations inter-pièce Importance des ouvertures Avantage du cornet : Gain, faible sélectivité fréquentielle Plusieurs angles darrivée Inconvénient du cornet : Pointage précis nécessaire Diversité angulaire possible avec des antennes directives Caractérisation du canal -> Influence de lemplacement et du type dantenne

27 27 Modélisation du canal Contexte de létude Caractérisation du canal Modélisation du canal Modélisation de latténuation Modélisation des variations temporelles Modélisation spatio-temporelle Recommandations et perspectives Conclusion

28 28 Modélisation de latténuation Composante « grande échelle » : est issu des mesures Atténuation supplémentaire en situation de non-visibilité (issue des mesures) Composante « petite échelle » : Loi gaussienne centrée avec un écart-type issu des mesures Composante « moyenne échelle » : Loi gaussienne centrée avec un écart-type issu des mesures Modélisation du canal

29 29 Modélisation de latténuation Modélisation du canal

30 30 Variations temporelles Paramètres issus des mesures : Temps de montée Amplitude Durée Temps de descente Pseudo-période Modélisation du canal

31 31 Principes Déterminer les lois de densité de probabilité des paramètres en fonction de lactivité humaine en fonction des antennes utilisées en fonction des situations de visibilité Générer des « profils de variations » de latténuation à partir de ces lois Modélisation des variations temporelles du canal

32 32 Méthode Sélectionner plusieurs lois de probabilité connues Approche « visuelle » Vérifier la conformité des fonctions de distribution cumulatives (FDC) empiriques Utilisation du test de Kolmogorov-Smirnov (KS) Choisir la loi qui décrit au mieux la loi empirique Utilisation dun critère de qualité issu du test KS Modélisation des variations temporelles du canal

33 33 Résultats Durée : loi lognormale « par morceaux » Pseudo-période : loi lognormale « par morceaux » Amplitude : loi gaussienne Temps de montée et de descente : loi lognormale « par morceaux » Modélisation des variations temporelles du canal

34 34 Modélisation « par morceaux » (1/3) Modélisation des variations temporelles du canal Constats : Échec du test KS pour certaines configurations Au-dessus du 80 e percentile, écart entre FDC empirique et FDC théorique

35 35 Modélisation « par morceaux » (2/3) Solution envisagée : Approcher séparément deux zones de la FDC empirique 1 re zone : L % valeurs les plus faibles 2 e zone : valeurs restantes (les plus fortes) Deux lois sont obtenues : densités de probabilité f 1 et f 2 Une loi globale, dite « par morceaux », est recomposée à partir de f 1 et f 2 : Modélisation des variations temporelles du canal

36 36 Modélisation « par morceaux » (3/3) Modélisation des variations temporelles du canal Résultats : Pour toutes les configurations : f 1 et f 2 passent le test KS f passe le test KS La qualité du test KS augmente

37 37 Résultats du modèle Écart mesure/simulation : Atténuation et temps de montée : ~3% (LOS), ~5-6% (NLOS) Durée et pseudo-période : LOS : ~6% NLOS : ~5% (Pseudo-période), ~10% (Durée) Améliorations possibles : Simuler les obstructions à lintérieur des séries Étudier leffet mémoire éventuel entre obstructions Modélisation des variations temporelles du canal

38 38 Modélisation spatio-temporelle But : modéliser la réponse impulsionnelle h(, ) Approche statistique Modèle de Spencer Basé sur le modèle de Saleh & Velenzuela Modélisation du canal

39 39 Modèle de Saleh & Valenzuela Groupement des trajets Puissance moyenne des groupes et des trajets : décroissance exponentielle paramètres : et Nombre de groupes et de trajets : processus de Poisson paramètres : et Modélisation spatio-temporelle du canal

40 40 Modèle de Spencer Domaine retard : Saleh & Valenzuela Domaine angulaire : Même phénomène de groupes Groupes : répartition uniforme sur [0,2 [ Trajets : distribution Laplacienne autour de langle moyen des groupes Hypothèse : indépendance retards-angles Modélisation spatio-temporelle du canal

41 41 Adaptation du modèle Validation de lensemble du modèle, sauf : Distribution gaussienne des angles darrivée au sein des groupes Variations lognormales de la puissance des trajets autour de la moyenne Complément : algorithme de détection des groupes de trajets Absent dans les modèles S&V et Spencer Modélisation spatio-temporelle du canal

42 42 Détection des groupes Modélisation spatio-temporelle du canal Traitement préliminaire : Détection des trajets Détection des maxima locaux significatifs Angles (°) Retards (ns) Puissance reçue (dBm)

43 43 Réflexions préliminaires pour un algorithme Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets Trajets puissants en début de cluster Structure itérative traitant les trajets selon leur puissance Nécessité de séparer les trajets en clusters Critère sur la distance dans le plan angles-retards Étalement en retard plus important quen angle Déformation de la topologie du plan angles-retards Principe de lalgorithme : détecter les débuts de cluster et y associer les trajets proches pour former les clusters

44 44 Structure itérative Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets 1 re itération (7 trajets) 2 e itération (18 trajets) 3 e itération (35 trajets) 4 e itération (77 trajets)

45 45 Structure de lalgorithme Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets Itération 1 : repérage des premiers débuts de clusters Itération 2 à 4 : Formation de groupes à partir des débuts de clusters existants Pour chaque groupe : repérage des trajet qui ne peuvent manifestement pas faire partie du groupe Parmi tous ces trajets « isolés », repérage de nouveaux débuts de clusters Itération 5 : rattachement de chaque trajet au début de clusters le plus proche

46 46 Identifier les débuts de cluster Itération 1 : 7 trajets Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets 3 groupes 3 débuts de clusters Distances entre trajets Hiérarchisation des distances Application dun seuil

47 47 Identifier les débuts de cluster Itération 2 : 18 trajets Association des trajets aux débuts de clusters existants Formation de groupes Pour chaque groupe : Hiérarchisation Séparation des trajets isolés qui deviennent des débuts de clusters potentiels Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets Hiérarchisation des clusters potentiels +3 débuts de cluster

48 48 Formation finale des clusters Itération 5 : 77 trajets 7 clusters Modélisation spatio-temporelle du canal -> détection des groupes de trajets

49 49 Recommandations et perspectives Contexte de létude Caractérisation du canal Modélisation du canal Recommandations et perspectives Réflexions sur larchitecture des réseaux Perspectives de travail Conclusion

50 50 Architectures réseaux Scénario 1 Couverture mono-pièce Qualité de service acceptable Scénario 2 Couverture mono/multi-pièce Qualité de service bonne Scénario 3 Couverture multi-pièce Qualité de service bonne Recommandations

51 51 Réseau centralisé Point daccès au plafond Réduction partielle des obstructions Antennes sectorielles, pointées manuellement vers le point daccès (comme pour les équipements infrarouges) Pas de sélectivité fréquentielle En cas dobstruction : Retransmission des données Avantage : faible complexité Problème : faible QoS (pas de transmissions en temps réel…) Scénario 1 Recommandations

52 52 Scénario 2 Réseau distribué (« ad-hoc » ou « mesh network ») Déploiement facilité (moins de câblage) Diversité angulaire en azimut et élévation pour éviter les obstructions Antennes omnidirectionnelles + traitement des multi-trajets ou Antennes multi-sectorielles + traitement dantennes Avantages potentiels : Aucune obstruction Couverture multi-pièce Problème : complexité et coût des antennes notamment (vue de dessus) Recommandations

53 53 Scénario 3 Diversité angulaire + diversité de site Masquage Diversité de site et angulaire NLOS Réseau distribué Diversité angulaire Antennes multi-sectorielles + traitement dantennes Couverture multi-pièce si antennes assez directives (10-40°) Diversité de site Couverture augmentée (si assez déquipements) Puissance émise réduite (liaisons plus courtes) Avantage : couverture du réseau Problème : complexité + coût Équipements 60 GHz Recommandations

54 54 Perspectives de recherche Caractérisation angulaire dynamique du canal Sondeur de canal multi-capteur Enrichissement des modèles déterministes Optimisation des modèles développés Affiner le modèle temporel Optimiser lalgorithme de détection des groupes Utilisation de ces modèles pour des simulations systèmes Études sur les antennes multi-sectorielles Études sur les protocoles de réseaux Comparaison avec dautres techniques (ULB notamment) Coût et performances

55 55 Conclusion Travail réalisé : Caractérisation de linfluence de paramètres peu étudiés Méthodologie danalyse de linfluence de lactivité humaine Constitution dune base de données de mesure conséquente Exploration dun type denvironnement peu caractérisé à 60 GHz Proposition de modèles de la propagation à 60 GHz Résultats : Analyse précise des deux spécificités des ondes millimétriques : Difficultés à réaliser des liaisons multi-pièces Fortes atténuations causées par les corps humains La directivité des antennes permet des liaisons haut débit en situation de visibilité ou non Recommandations pour les architectures des futurs réseaux à 60 GHz

56 Caractérisation et modélisation de la propagation des ondes électromagnétiques à 60 GHz à lintérieur des bâtiments Sylvain Collonge Soutenance de doctorat 17 décembre 2003

57 57 Environnements de mesure Caractérisation du canal -> présentation des campagnes de mesures

58 58 Scénarios de mesure Paramètre 1 : Emplacement des antennes Propagation en visibilité directe (mono-pièce) Propagation sans visibilité directe (multi-pièce, inter-étage) Paramètre 2 : Type dantennes Hauteur : Type « réseau centralisé » : Tx: 2.20m, angle de la pièce principale, pointée vers le sol Type « réseau distribué » : Tx and Rx at the same height (1.20m) Types : Patch / Patch, Patch / Cornet et Cornet / Cornet Polarisations : H / V Caractérisation du canal

59 59 Scénarios de mesure Paramètre 3 : Activité humaine Mesures à court-terme (<1min) 1-2 personnes Déplacements prédéfinis Mesures à long-terme (séries de 40 min) Jusquà 15 personnes Activité naturelle Paramètre 4 : Mobilier Effet « Large échelle » : Mesures dans un environnement meublé et vide Effet « Petite échelle » : Ajout de quelques éléments de mobilier Caractérisation du canal

60 60 Procédure de mesure Angles darrivée : Rotation sur 360° de lantenne Rx : Cornet : 60 points, pas de 6° Patch : 30 points, pas de 12° Tronçon linéaire : 10 points, pas de 1 Angle délévation nul en Rx Évanouissements et pertes en distance : Antennes pointées lune vers lautre Tronçon linéaire Longueur : de 4 à 80 Pas : de /4 à Canal variant en temps : Antennes fixes, pointées lune vers lautres Caractérisation du canal

61 61 Environnement de mesure 1 Centre de Loisirs Éducatifs (CLE)

62 62 Buildings materials 12 ( Horn antennas ) Measurement method : Results : Breeze blocks (23 cm) : ~66 dB (V polarization) ~60 dB (H polarization) Brick + plaster (17 cm) :~36 dB (V polarization) ~41 dB (H polarization) Wooden door (4 cm) :~15 dB (V & H) Window (double-glazing) :~6 dB (V & H) … Major results Antennas types and locations

63 63 Couverture radio Simulations par lancer de rayons (À partir des mesures de matériaux réalisées sur site) Montre limportance du diagramme dantenne et du pointage Source : Siradel Antenne omnidirectionnelle Cornet pointé vers lémetteur Cornet pointé dans la direction du maximum de puissance reçue

64 64 « PC multimédia », PC portable, + radio/TV… Téléphone portable, + appareil photo, … + télécommande, … « Smart objects » Réseaux locaux Internet Internet sans fil Sans fil Accès Internet TV câblées Interactivité « Tout connecté » « Tout sans fil » Tendances historiques Ordinateur outil de traitement/calcul données : texte/nombre non connecté Téléphone outil de communication données : voix réseau câblé Télévision / Radio outil de diffusion données : vidéo / audio réseau unidirectionnel sans fil + texte + audio + images + vidéo Données « multimédia » Contexte de létude

65 65 Tendances historiques Contexte de létude Objets « Communicants » « Connectables » Multimédia Multi-fonctions Défis actuels : Interfaçage des réseaux Haut débit sans fil Ergonomie / Usages

66 66 Angles darrivée (LOS) Contribution principale du trajet direct Antenne Cornet : Révèle la contribution des trajets réfléchis dordre 1 Caractérisation du canal -> Influence de lemplacement et du type dantenne

67 67 Obstructions décalées

68 68 Scénario NLOS – 1 pers.

69 69 Obstruction et oscillations


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