Soutenance mémoire
Présence de trajets multiples
L’équation de Friis est donnée pour un environnement idéal où aucun objet ne peut venir interférer avec le signal émis. En pratique, la propagation RF est soumise à une foule d’interférences. En environnement interne, la propagation RF est affectée par tout objet physique, par exemple les objets présents dans les pièces, les murs, les planchers et ainsi de suite. Le signal est alors altéré par ces objets et différents mécanismes physiques viennent créer des répliques de ce signal. Ces dernières se propageront ainsi jusqu’à un éventuel récepteur, créant ainsi l’effet des trajets multiples. Une fois rendus au récepteur, ces trajets multiples arrivent avec des délais, des amplitudes et des phases différentes du signal original, appelé la ligne de vue directe (LOS). Les deux mécanismes physiques principaux associés à la création de ces trajets multiples sont la réflexion et la diffraction et, illustrées à la figure 1.1. Le premier et principal mécanisme responsable de la création des trajets multiples est la réflexion.
En théorie, lorsqu’un signal frappe une surface lisse, une partie de ce signal est réfléchie. La nouvelle version du signal continue ainsi suivant un angle de réflexion égal à l’angle d’incidence du signal d’origine. Par contre, si la surface de l’objet rencontrée est rugueuse, la réflexion sera dite diffuse. Dans ce cas, plusieurs versions du signal seront créées et seront réfléchies avec plusieurs angles différents. Le second mécanisme responsable de la création de trajets multiples est la diffraction. Celle-ci survient lorsque l’onde transmise par l’émetteur rencontre un obstacle dont la dimension est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde du signal transmis. En environnement interne, un coin de porte ou un coin de bureau peut être responsable de phénomènes de diffraction par exemple. À la rencontre de ce type d’objet, de multiples versions du signal sont créées, se diffusant ainsi de l’obstacle rencontré.
Effet d’évanouissement
Le phénomène d’évanouissement est représenté par une variation de la puissance du signal reçu. Il existe deux types d’évanouissement. L’évanouissement à grande échelle est caractérisé par des variations lentes dans la puissance qui fluctuent très peu. Ce type d’évanouissement est associé à l’interférence de gros objets qui bloquent la ligne de vue directe. Le second type est l’évanouissement à petite échelle. Elle est caractérisée par une fluctuation rapide de l’amplitude du signal pour deux distances ou fréquences adjacentes. En environnement interne, c’est l’évanouissement à petite échelle qui prédomine, conséquence directe de la présence des trajets multiples (Rappaport, 2001). Comme mentionné précédemment, les trajets multiples présents en environnement interne arrivent au récepteur avec des délais, des amplitudes et des phases différentes, tous étant des répliques du signal d’origine (LOS).
Ceux-ci se combinent, causant ainsi de l’interférence constructive et destructive. Lorsque cette interférence devient destructive, un fort évanouissement de l’amplitude du signal reçu se produit. Ces interférences étant liées à la longueur d’onde du signal transmis, cet évanouissement se reproduira à des distances qui sont fonction de cette longueur d’onde. Comme une multitude de trajets multiples existent pour un environnement interne donné, le signal sera constamment soumis à ces variations de puissance pour une même distance d’écart entre l’émetteur et le récepteur. De plus, l’évanouissement causé par les trajets multiples étant dépendant de la longueur d’onde, la variation du signal sera sélective en fréquence. Ce type de phénomène peut poser problème pour les systèmes de positionnement dépendant de l’amplitude du signal qu’ils reçoivent. Une modélisation statistique des variations dues aux évanouissements permet de donner l’étendue des puissances qu’il est possible de recevoir pour une même distance. Dans le cadre de ce mémoire, les effets d’évanouissement seront modélisés comme une variable aléatoire à distribution connue. La section 1.5 présentera les différentes distributions qui sont habituellement utilisées dans la littérature.
Détection par mesures de temps d’arrivée Le premier type de paramètre utilisé pour faire de la localisation se base sur la mesure du temps d’arrivée. La distance entre un récepteur et son émetteur est directement proportionnelle au temps de propagation qui s’écoule entre le début de la transmission et le début de la réception du message (Liu et al., 2007). Il est possible d’obtenir celle-ci en multipliant le temps de propagation par la constante de propagation du milieu : dTOA = c ∗ (t1 − t0) (2.1) où d est la distance parcourue, c est la vitesse de la lumière dans le vide, t1 est le temps d’arrivée de l’onde et t0 est le temps de départ de l’onde. Un premier type de positionnement se sert directement de cette mesure, soit le positionnement par temps d’arrivée (TOA). De façon générale, la localisation en deux ou trois dimensions s’effectue par une technique de latération. Pour un positionnement en deux dimensions, au moins trois détecteurs doivent être présents. Tel que présenté à la figure 2.2, la technique de latération consiste à trouver géométriquement, à l’aide de cercle, la position d’un noeud à localiser.
La position est donnée par l’intersection des cercles dont le rayon est de la longueur trouvée par le temps de propagation et centrée sur la position du détecteur qui a fait la mesure. Une particularité du TOA est que tous les émetteurs et récepteurs doivent être synchronisés entre eux. Cette synchronisation est nécessaire pour effectuer la mesure du temps t0, soit le temps de départ de l’onde. Cette particularité impose donc l’utilisation d’horloges très précises et synchronisées entre elles si une mesure précise est souhaitée (Vossiek et al., 2003). Évidemment, cette précision vient avec un coût plus élevé. Afin de contrer la dépendance de la synchronisation des détecteurs, une approche par calcul du temps d’aller-retour (RTOF) peut être utilisée. Tout comme le TOA, une distance est associée au temps de propagation du signal. Cependant, dans le RTOF, un signal de réponse est envoyé en réponse au premier signal de positionnement. Ainsi, le temps de départ du premier signal,t0, est connu et est soustrait par le temps d’arrivée, t1 de la réponse, donnant le temps d’allerretour du signal. Évidemment, une certaine quantité de temps dénotée ttraitement est associée au temps de détection et de réponse du noeud à estimer. L’équation 2.2 donne le calcul à effectuer pour obtenir la distance associée au temps d’aller-retour du signal. Une fois l’estimation de la distance effectuée, une technique de latération est appliquée de la même façon que pour le 20 TOA présenté à la figure 2.2.
Bien que cette approche ne requière aucune synchronisation, la précision qu’il est possible d’obtenir avec celle-ci est fortement dépendante du temps associé à la détection et la réponse du noeud distant (Vossiek et al., 2003). Elle requiert une connaissance exacte du temps de traitement de la réponse et que celui-ci soit garanti d’être toujours le même. À titre d’exemple, une variation de l’ordre de 50ns peut faire varier l’estimation de la distance de 7.5m. Finalement, la technique la plus utilisée parmi les solutions de positionnement existantes dans la littérature basée sur des mesures de temps est l’approche par différence de temps d’arrivée (TDOA) (Vossiek et al., 2003). Plutôt que d’effectuer la différence entre le temps de départ et le temps d’arrivée comme dans le TOA, le TDOA utilise la différence de temps d’arrivée d’un même signal à deux détecteurs différents. Considérant que le temps de propagation est lié à la distance à parcourir, le TDOA donne donc l’information de la différence entre la distance respective de chaque détecteur et le mobile à localiser. L’avantage principal de cette approche est que la connaissance du temps de départ du signal n’est plus nécessaire, ce qui élimine le besoin de synchronisation entre les détecteurs et le noeud à estimer (Liu et al., 2007). La distance obtenue par TDOA, soit dTDOA, est donnée par la différence des distances qui séparent le noeud à localiser des deux détecteurs, soit d1 et d2. L’équation 2.3 démontre que le temps de départ du signal t0 n’a pas besoin d’être connu avec t1 et t2 étant le temps de propagation respectif pour chacun des deux détecteurs. La différence de temps d’arrivée est dénotée Δt12
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 PROBLÉMATIQUE DE LA PROPAGATION EN ENVIRONNEMENT INTERNE
1.1 Propagation électromagnétique dans le vide
1.2 Présence de trajets multiples
1.3 Effet d’évanouissement
1.4 Bande de cohérence
1.5 Modélisation de la propagation radio en environnement interne
1.6 Conclusion
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE DU POSITIONNEMENT
2.1 Paramètres de radiolocalisation
2.1.1 Détection par mesures de temps d’arrivée
2.1.2 Détection par mesures d’angle d’arrivée
2.1.3 Détection par indicateur de puissance du signal reçu
2.2 Techniques de localisation
2.2.1 Approche géométrique
2.2.2 Approche par analyse de scène
2.2.3 Approche par proximité
2.3 Diversité fréquentielle par étalement de spectre
2.3.1 Étalement de spectre par séquence directe
2.3.2 Étalement de spectre par saut en fréquence
2.4 Travaux antérieurs
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 SOLUTION PROPOSÉE
3.1 Solution proposée pour le positionnement
3.2 Solution proposée pour la caractérisation de l’environnement
3.3 Proposition d’architecture
3.4 Bloc radio (« RF »)
3.4.1 Protocole de communication
3.4.2 Bande de fréquence utilisée
3.4.2.1 Motivation
3.4.2.2 Élaboration de l’utilisation
3.4.3 Puissances de signal reçues pour le positionnement
3.5 Bloc du traitement de signal (« DSP »)
3.5.1 Modélisation de la propagation RF en fonction de la distance
3.5.2 Traitement sur les puissances reçues
3.5.2.1 Moyenne énergétique en fréquence des puissances reçues
3.5.2.2 Traitement en phase d’apprentissage des caractéristiques de l’environnement
3.5.3 Analyse et décisions statistiques
3.5.3.1 Définition des critères
3.5.3.2 Calcul des seuils
3.5.4 Détection de la voix et de l’intention du locuteur
3.6 Bloc audio (« codec »)
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 VALIDATION EXPÉRIMENTALE
4.1 Méthodologie et montage
4.2 Profils des puissances reçues en fonction de la distance
4.2.1 Profil par canal
4.2.2 Profil de la moyenne énergétique de tous les canaux
4.3 Modèle de propagation RF en fonction de la distance
4.4 Résultats de l’algorithme de décision en fonction de la caractérisation
4.4.1 Résultat du calcul des seuils de la décision
4.4.2 Performances des décisions
4.5 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE I DÉTAIL DE LA TRAME RADIO ET DE L’ACQUISITION DES MESURES RSSI
ANNEXE II PLAN D’ÉTAGE DU LOCAL A-2448
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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