Soutenance mémoire
Le BAN et ses applications
Les communications mobiles terrestres se développent pendant et après la première guerre mondiale, à l’exemple du bus équipé d’une antenne faisant partie d’un réseau de télécommunications installé en Angleterre dans la ville de Poole par Marconi et Fleming (Figure 1.1). C’est à la fin des années 30 qu’apparaissent les premières antennes portées sur le corps. Elles sont utilisées pour des communications au sein de l’armée de terre britannique. L’encombrement de l’antenne est problématique, les fréquences utilisées étant de l’ordre de la dizaine de MHz, ce qui n’autorise pas l’emploi d’antennes de type fouet. Ainsi, les premières antennes sur le corps étaient des boucles magnétiques (0).
Par la suite, les longueurs d’ondes deviennent plus courtes, ce qui autorise dans les années 70 l’utilisation d’antennes de dimensions très réduites par les forces de l’ordre américaines. Portées sur l’épaule (Figure 1.3), ces antennes fonctionnaient en VHF et permettaient d’établir un réseau mobile entre les agents de sécurité à travers leur circonscription [KIN01]. Les travaux de l’époque mettent en évidence l’influence du corps sur le diagramme de rayonnement, le rendement et l’adaptation de l’antenne.
MODÉLISATION ANALYTIQUE DES CANAUX BAN DÉTERMINISTES
Il est primordial d’évaluer le bilan de liaison entre deux antennes placées sur le corps et cela pour n’importe quel trajet envisageable (Figure 2.1) afin de quantifier le bilan énergétique du système de transmission. Une évaluation correcte permet une diminution de la puissance à l’émission donc une réduction de l’interaction électromagnétique avec les tissus biologiques [KIV01] et une augmentation de la durée de vie des piles. Une connaissance précise des processus de propagation permet également de concevoir des antennes adaptées au canal de transmission. Les travaux passés ont permis de concevoir des antennes dans l’optique de la miniaturisation, ce qui est un aspect très important, mais la relation antenne-canal a été ignoré jusqu’à peu [CON01] au détriment de l’optimisation du bilan de liaison.
Il est habituel de déterminer une modélisation analytique pour les canaux de télécommunications hautes fréquences, même les plus perturbés comme les canaux ionosphériques ou les plus sporadiques comme les canaux par réflexions météoriques, [UIT01], [BOI01]. Cependant, il n’existe aucun modèle analytique pour les canaux BAN alors que l’on dispose de suffisamment de bases théoriques pour mettre en place une modélisation simple et précise.
Dans une récente étude [ZHA01], une comparaison entre simulations et mesures est présentée avec 5 femmes et 4 hommes de différentes corpulences. Afin que les caractéristiques morphologiques des différentes personnes soient prises en compte par le simulateur, leur corps est soumis à un IRM pour que chaque détail géométrique puisse être par la suite fidèlement reconstitué dans le maillage FDTD. Ces mêmes personnes sont ensuite soumises à une mesure de l’atténuation entre antennes sur leur propre corps et dans une chambre anéchoide. Les auteurs présentent quelques résultats dont ceux que nous reportons en Figure 2.2 pour le cas où les antennes sont en visibilité directe. Cette Figure montre une disparité forte entre les personnes et plus ou moins importante entre la mesure et la simulation.
Le modèle (2.1) très simple est critiquable car il ne considère pas l’ensemble des modes de propagation pouvant exister sur le corps. L’objectif de ce chapitre est de proposer des modèles analytiques de canaux BAN basés sur une analyse physique préalable des modes de propagation et valables pour les différentes parties du corps. L’étude des modes de propagation effectivement présents sera approfondie en considérant essentiellement deux types de trajets :
– ceux pouvant être considérés comme quasi-planaires (torse, dos,…)
– ceux pouvant être considérés comme cylindriques (tête, tronc, …) .
Les modèles que nous allons développer sont dits déterministes, c’est-à-dire qu’ils dépendent des paramètres physiques du canal et du gain des antennes. On parlera également de canal statique car on ne tient pas compte des éventuelles variations des paramètres du modèle ainsi que de l’espace environnant. Dans un autre chapitre, on y associera une modélisation statistique permettant cette fois-ci une modélisation dynamique du canal.
Les ondes de surface et les ondes rampantes dans la littérature
Le concept d’ondes de surface comme explication possible de la télégraphie sans-fil est d’abord apparue en 1898 et est citée par Blondel et Poincaré lors du congrès de Nantes sur l’avancement des sciences [ZEN01]. Puis Lecher an 1902 appuie également cette théorie, mais ce n’est qu’en 1903 que le guidage d’une onde plane à l’interface de deux milieux diélectriques suscite une première approche mathématique par Uller [COL01]. Une résolution rigoureuse est proposée par Zenneck en 1907 dont l’article restera pendant très longtemps l’article de référence sur un mode de propagation qui sera plus tard nommé onde de Zenneck.
En 1909, Sommerfeld introduit un raffinement mathématique à l’étude théorique des ondes de surface. Son analyse repose sur l’étude des champs dipolaires électriques et magnétiques au-dessus d’un demi-espace infini conducteur. Malheureusement, une erreur de signe dans la résolution d’une intégrale complexe conduisait à penser que l’onde de Zenneck était la principale cause de la propagation des ondes le long de la terre. Or de nombreuses mesures ont prouvé que ceci n’était pas correct et en 1919 Weyl démontre que les ondes de Zenneck ne jouent qu’un rôle mineur dans la genèse d’une onde de surface.
Sommerfeld republie son article corrigé en 1926 et ses travaux théoriques sont confirmés par Van der Pol et Niessen en 1930 [WAI01]. Nous savons aujourd’hui que les ondes de Zenneck ne sont en fait qu’une très faible composante du champ total présent à l’interface de deux milieux [KIN01]. En 1936, l’ingénieur Norton publie un article didactique de synthèse basé sur les derniers travaux de Sommerfeld qui s’avérera être la base de la théorie des ondes de surface [NOR01]. C’est sur l’onde de surface de Norton que s’appuiera notre étude théorique de la propagation sur les surfaces planes du corps.
La notion d’ondes rampantes apparaît sommairement dans le “Wireless Telegraphy” de Zenneck en 1907 [ZEN01]. L’intérêt pour ce mode vient du fait que la théorie de Sommerfeld ne pouvait s’appliquer au-delà d’une certaine distance pour laquelle on ne pouvait plus ignorer la rotondité de la terre. On envisageait alors que cette rotondité pouvait compenser les pertes dues à la conductivité du sol [BUR01]. Dans son livre, Zenneck introduit la notion de energy straying (dispersion d’énergie) sous la forme d’une exponentielle e-αd où α dépend de l’inverse de la racine cubique de la longueur d’onde et de l’inverse de la puissance 2/3 du rayon de la terre.
Cette dépendance a été plus tard démontrée par le mathématicien Watson en 1919 dans le cas d’une sphère parfaitement conductrice [WAT01]. Cet auteur a mis en évidence la décomposition du champ électrique sous la forme d’une somme de modes qui correspond à une série de résidus. Des travaux purement mathématiques pour traiter le cas d’une sphère conductrice ayant des propriétés quelconques fut traité par Van der Pol, Bremmer, Eckersley et Millington. Après les travaux de Wait [WAI03], la formulation améliorée du mathématicien Watson a été appliquée à la diffraction par les collines [WAI02], ou au rayonnement des antennes au-dessus d’une sphère [WAI04].
C’est sur la série de Watson améliorée telle que celle employée par Wait que s’appuiera notre étude théorique de la propagation pour les trajets circumcorporels.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Le BAN et ses applications
1.2 Le projet BANET
1.3 Classification des réseaux BAN et bandes de fréquences associées
1.4 Alimentation des capteurs
1.5 Plan de la thèse
2 Modélisation Analytique des Canaux BAN Déterministes
2.1 Motivations
2.2 Résultats expérimentaux préliminaires
2.3 Introduction aux mécanismes de propagation
2.4 Les ondes de surface et les ondes rampantes dans la littérature
2.5 La modélisation BAN dans la littérature
2.6 Impédance de surface pour les modes TE, TM
2.7 Expression générale de l’atténuation
2.8 Atténuation sur une surface plane
2.9 Atténuation sur une surface cylindrique
2.9.1 Polarisation verticale
2.9.1.1 Combinaison des trajets directs et indirects autour d’un cylindre
2.9.2 Polarisation horizontale
2.9.3 Performances de chaque polarisation
2.9.4 Amplitude de l’atténuation pour un trajet circumcorporel
2.10 Atténuation sur une surface quasi-planaire
2.11 Liaison par dipôles
2.12 Caractérisation expérimentale des canaux BAN
2.12.1 Equipement de mesure
2.12.2 Antennes
2.12.3 Procédure de caractérisation
2.12.4 Mesure sur des personnes
2.13 Résultats de mesure – Comparaison avec les modèles analytiques de canaux
2.13.1 Propagation sur le torse
2.13.2 Propagation sur le côté du corps (cheville-poitrine)
2.13.3 Propagation entre épaule et pied (passage par le dos)
2.13.4 Propagation le long des jambes
2.13.5 Propagation pour un trajet circumcorporel (la taille)
2.13.6 Propagation pour un trajet circumcorporel (la tête)
2.14 Conclusion du chapitre
3 Les Antennes BAN et les Interactions Corps-Antenne
3.1 Etat de l’art
3.1.1 Antennes adaptées au contexte BAN
3.1.2 Interactions corps-antenne
3.2 Interactions entre le corps et les antennes : Résultats préliminaires
3.3 Modélisation analytique de l’interaction corps-antenne dans le cas du dipôle horizontal
3.3.1 Expressions analytiques de l’impédance de pertes et de l’impédance totale du dipôle horizontal au-dessus du corps
3.3.2 Influence des paramètres biologiques sur l’impédance de pertes du dipôle à 2.4 GHz
3.3.3 Calcul du rendement pour le dipôle à 2.4 GHz
3.4 Conception d’antennes dédiées au BAN à 2.4 GHz
3.4.1 Fentes résonnantes – Dipôles résonants
3.4.2 Petites antennes
3.4.2.1 Antennes à structure en F-inversé ou IFA
3.4.2.2 IIFA ou Integrated Inverted F Antenna
3.4.2.3 PIFA ou Planar Inverted F Antenna
3.4.2.4 CWPA ou Coplanar Wire Patch Antenna
3.4.2.5 Monopôle court
3.4.2.6 Fente annulaire avec plan de masse
3.4.2.7 Boucle magnétique
3.4.3 Autres solutions
3.5 Estimation du rendement des antennes sur le corps
3.6 Techniques d’insensibilisation au corps
3.7 Mesure de la transmission entre antennes sur fantôme
3.7.1 Mesure du coefficient de transmission entre deux antennes identiques
3.7.2 Mesure du coefficient de transmission entre antennes différentes
3.7.3 Conclusion
3.8 Conclusion du chapitre
4 Modélisation Dynamique des Canaux BAN
4.1 Motivations pour une modélisation dynamique
4.2 Introduction générale aux canaux radio de type mobile
4.2.1 Modélisation d’un canal par sa réponse impulsionnelle
4.2.2 Caractéristiques des canaux de propagation
4.2.3 Les différents types d’évanouissements dans le cadre du BAN
4.3 Modèle physique des canaux BAN en mouvement
4.3.1 Mise en équation du modèle
4.3.2 Effet des déplacements dans la pièce
4.3.3 Effet des dimensions de la pièce
4.3.4 L’effet Doppler
4.4 Spectre HF des canaux BAN
4.5 Les outils mathématiques d’analyse dynamique des canaux BAN
4.6 Modélisation statistique des canaux BAN en mouvement
4.7 Méthode d’extraction des évanouissements
4.8 Méthode d’estimation statistique
4.9 Modèles statistiques des canaux BAN pour quelques scénarii
4.10 Génération d’un signal BAN à partir de la modélisation statistique
4.11 Conclusion du chapitre
5 Conclusion
