Système de communication OFDM-haut débit dédié aux trains à grandes vitesses

Les communications train-sol pour le ferroviaire

Pendant très longtemps, les transmissions entre sol et trains ont été inexistantes et les seules informations dont disposait le conducteur à bord de son engin moteur étaient des informations visuelles fournies par la signalisation latérale. Plus récemment, les besoins en transmission se sont multipliés du fait de la complexité croissante des installations de contrôle-commande des trains, de la nécessité d’augmenter la capacité des lignes existantes et d’optimiser leur gestion et leur exploitation. Afin d’améliorer la qualité des transports ferroviaires, de nouveaux besoins en transmission associés à de nouveaux services offerts à la clientèle sont alors apparus. Ainsi, aujourd’hui, les opérateurs de transports guidés s’appuient de plus en plus sur les nouvelles technologies de l’information et de la communication qui leur permettent aussi de moderniser leur image et de rendre les transports publics plus attractifs. Les transmissions sol- train qui existent aujourd’hui peuvent être classées selon deux principales rubriques (Berbineau, 2001) :
les transmissions de phonie, données et images liées aux installations de contrôle-commande, aux besoins de la sécurité, de l’exploitation et de la maintenance;
les transmissions de phonie, données et images liées aux besoins des passagers, des opérateurs ferroviaires, des clients du fret.
La transmission des informations peut être réalisée soit par des communications ponctuelles ou balises, soit par des communications continues par ligne bifilaire, soit encore par des communications radio. Ces dernières connaissent depuis quelques années un essort considérable. Trois catégories de flux d’information caractéristiques peuvent être identifiées pour les systèmes de communication sans fil par radio dans le monde ferroviaire à grande vitesse :
Les communications bi-directionnelles, faKalmible débit, robustes et fiables, dédiées au contrôle-commande des circulations qui s’appuient aujourd’hui en Europe sur le standard GSM-R, en particulier sur les lignes à grande vitesse.
La connexion Internet à bord pour les passagers et les membres d’équipage qui nécessite des flux haut débit du sol vers les trains.
La transmission d’information haut débit depuis les trains vers le sol, notamment pour des applications embarquées de maintenance et de surveillance.

Les différentes technologies considérées pour Internet à bord

Le satellite

L’intérêt des systèmes satellitaires repose sur la couverture géographique très étendue et la disponibilité immédiate des infrastructures nécessaires à la mise en place des services envisagés. En revanche, le prix très élevé de la bande passante satellite allouée et l’effet de masquage lors d’un passage du satellite par des zones d’ombres (tunnels, ponts, bâtiments, gares, montagnes, …) représentent un frein et limitent l’utilisation étendue des satellites. Dans (Épinette et collab., 2007), une analyse économique est proposée. Les réseaux de satellites défilants peuvent être classés en trois groupes suivant leur éloignement de la terre : LEO (low earth orbit avec une altitude comprise entre 500 et 2000 km), MEO (medium earth orbit avec une altitude comprise entre 8000 et 12000 km), et GEO (geosynchronous earth orbit avec une altitude autour de 35 800 km). Dans les projets actuels d’Internet à bord des trains, ce sont les satellites géostationnaires qui sont considérés afin d’assurer des connexions larges bande dans le sens descendant vers les trains. La poursuite du satellite par l’antenne et les exigences ferroviaires à respecter pour l’antenne (taille, gabarit vis à vis de la caténaire, forme aérodynamique du radôme, etc.) imposent des exigences techniques sur le système de communication qui le rendent ainsi plus complexe et coûteux. Comme nous l’avons déjà mentionné, l’utilisation du satellite n’est aujourd’hui envisageable qu’en association avec une autre technologie sans fil afin d’assurer la connectivité dans les zones de masquage du signal satellite.

Le WiFi

Dans les réseaux WLAN, la norme IEEE 802.11x couramment appelée WiFi est une bonne candidate puisqu’elle offre des débits intéressants, que les coûts sont aujourd’hui très faibles et que les versions récentes du standard (802.1lp, 802.11n et 802.11r) prennent en compte la mobilité. Notons que la norme 802.llp, dans la gamme des 5,8 GHz est spécialement dédiée aux communications véhiculaires (Msadaa et collab., 2010, Paier et collab., 2010a,b, Shivaldova et collab., 2011). Les débits peuvent atteindre 54 Mbps pour le 802.1lg à 5,8 GHz. Il est prévu des débits de l’ordre de 190 Mbps pour la norme IEEE 802.1ln qui prend en compte les techniques MIMO-OFDM qui permettent d’augmenter la robustesse et d’offrir des débits bien plus importants. Notons que cette norme n’est toujours pas figée. Cette solution peut être utilisée seule ou encore être combinée avec une autre technologie, par exemple, le satellite ou le WiMAX (Manabe et Hojo, 2010). (Sanz et collab., 2011, Villeforceix, 2011) ont montré qu’un réseau de points d’accès WiFi, déployé seul le long des voies, est capable d’établir une connexion vers le train pour une vitesse relativement élevée dans certaines conditions. Le problème rencontré lors de la mise en œuvre du système est la connexion rapide aux différents points d’accès, aussi appelée “handover horizontal”. La portée du WiFi étant limitée, la succession des handovers peut générer des pertes de débits et de qualité le long de la ligne du train et par conséquent une chute de débit du système. Parallèlement, un autre réseau WiFi est utilisé afin de relayer les transmissions vers les terminaux mobiles à bord du train. Plusieurs travaux proposent des solutions afin d’améliorer la connectivité en améliorant les processus de handovers (Kassab, 2008, Maureira, 2011, Sethom, 2006).

La 3G

Les services assurés par un réseau de téléphonie mobile dit de 3/3.5G sont délivrés avec un débit réel attendu d’environ 1 Mbps en lien descendant (DL) et 500 kbps en lien ascendant (UL). Lorsque la mobilité est importante, le débit offert chute considérablement et il ne faut pas s’attendre à plus de 2 Mbps dans des cellules de petite taille et plutôt en zone urbaine (Cecelja, 2005, Liu et collab., 2008).
La différence de débit entre lien montant et lien descendant existe de fait par construction du système conçu spécifiquement pour optimiser l’accès à Internet. Sur le lien montant, des variations de débit importantes sont observées et sont liées à différents paramètres tels que la vitesse, le nombre d’utilisateurs dans la cellule.
De tels débits sont insuffisants si l’on agrège sur un seul lien tous les utilisateurs embarqués dans le train. Il est prévu que la 3G soit à terme remplacée par une nouvelle génération de systèmes plus flexibles qui feront partie de la 4G et notamment le LTE.

Avantages et inconvénients de l’OFDM

La modulation OFDM présente des avantages et des inconvénients que nous décrivons maintenant. Cette technique permet de lutter contre les trajets multiples avec évanouissement en minimisant l’Interférence Entre Symboles et offre des débits binaires suffisamment élevés (Shigang et collab., 2007). L’encombrement spectral est optimisé grâce à l’orthogonalité des sous-porteuses et l’égalisation fréquentielle est réalisée de façon très simple (on considère que le canal est invariant localement sur chaque sous-porteuse) (Chang, 1966).
Cependant, les caractéristiques temporelles du signal OFDM sont à l’origine des principaux inconvénients rencontrés, tels que les problèmes de synchronisation émetteur/récepteur. Les décalages en fréquence (offset) entre les oscillateurs RF locaux ainsi que le décalage fréquentiel dû à l’effet Doppler génèrent une translation fréquentielle qui perturbe l’orthogonalité des sous-porteuses. L’échantillonnage ne se fait plus sur les maxima de chaque sous-porteuse, ce qui engendre des interférences entre les sous-porteuses (lEP).
Afin de remédier à ce problème, le récepteur OFDM doit inclure un système d’estimation et de correction d’offset afin que la fréquence d’échantillonnage soit corrigée (Young-Chai et Jeong, 2002). De nombreux travaux s’intéressent aux solutions possibles pour estimer séparément les CFO et le canal (Bolcskei, 2001, Chiavaccini et Vitetta, 2004). Néanmoins, il est maintenant connu que les systèmes qui traitent conjointement le problème offrent les meilleures performances (Ghogho et collab., 2009, Nguyen-Le et Le-Ngoc, 2010, Simon et collab., 2011).
En outre, un signal de type OFDM présente de fortes fluctuations d’enveloppe et donc un Peak-ta-Average Power Ratio (PAPR) suffisamment élevé. Cela exige une grande linéarité de l’amplificateur de puissance, ce qui est incompatible avec une consommation optimisée pour une application mobile (Boukour, 2005). Il s’avère alors indispensable d’utiliser des techniques de linéarisation pour l’amplificateur ou des techniques de réduction du PAPR pour le signal OFDM (Anh et collab., 2010, Mahafeno et collab., 2009, Muller et Huber, 1997).

Effet Doppler et interférences entre porteuses

Dans ce paragraphe, nous évaluons l’impact du décalage fréquentiel qui génère les interférences entre porteuses (IEP) pendant la réception d’un symbole OFDM. Dans un premier temps, nous allons montrer les conséquences de l’effet Doppler sur la matrice du canal.
Dans le cas des canaux à variations rapides, la matrice du canal n’est pas diagonale et les méthodes fréquentielles classiques d’estimation du canal (moindres carrées (LS), minimisation de l’erreur quadratique (MMSE), Maximum de vraisemblance (ML)) donnent des mauvaises performances (Hijazi et Ros, 2009, Tang et collab., 2006a,b, Tian et collab., 2007). Les puissances des porteuses sur la diagonale sont dispersées sur son vmsmage. Afin de remédier aux problèmes des méthodes d’estimation fréquentielles, nous estimons le canal dans le domaine temporel. Pour ceci, il convient d’utiliser un modèle susceptible de traduire les variations temporelles d’une manière adéquate. L’utilisation du développement en fonctions de base (BEM) est une des solutions particulièrement utiles afin de suivre les variations temporelles du canal. Nous avons choisi cette méthode et nous la détaillerons plus loin dans le chapitre. Dans la suite, nous donnons un exemple d’une matrice du canal pour un symbole OFDM de taille égale à 64. Le but est de montrer l’effet de la mobilité sur le comportement de la matrice du canal.
Dans un canal statique (ou à variations lentes) où les variations temporelles du canal pendant un symbole OFDM sont négligeables, la matrice du canal dans le domaine fréquentiel est diagonale. Les éléments de cette diagonale sont les moyennes temporelles de la réponse fréquentielle du canal. Les lignes (colonnes) de la matrice du canal diagonale, qui sont mieux connues par les sous-porteuses OFDM, sont orthogonales les unes avec les autres.

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Table des matières

1 Les communications train-sol pour la grande vitesse
1.1 Introduction
1.2 Les communications train-sol pour le ferroviaire
1.3 Projets existants d’Internet à bord des trains et les technologies rencontrées
1.3.1 État de l’art
1.3.2 Les différentes technologies considérées pour Internet à bord
1.4 Évolution des systèmes de communications mobiles
1.5 Choix du modèle de canal de propagation pour le ferroviaire et la grande mobilité
1.5.1 Rappel sur les caractéristiques géométriques des lignes ferroviaires
1.5.2 Le canal de propagation radio mobile
1.5.3 Choix du modèle de canal : le modèle de Zheng
1.5.4 Le modèle de canal large bande
1.6 La chaîne de transmission choisie
1.7 Conclusion
2 Modulation multiporteuses et effets du canal de propagation radio mobile 
2.1 Introduction
2.2 Modulations multiporteuses
2.2.1 Orthogonalité
2.2.2 Préfixe cyclique
2.2.3 Avantages et inconvénients de l’OFDM
2.2.4 Modèle du système OFDM
2.3 Dégradations des signaux liées au canal de propagation radio mobile
2.3.1 Introduction
2.3.2 Résultats de simulation
2.4 Effet Doppler et interférences entre porteuses
2.4.1 Décalage fréquentiel
2.4.2 Modélisation par fonctions de base étendues d’un canal variant dans le temps
2.5 Conclusion
3 Estimation adaptative des canaux par allocation dynamique des pilotes 
3.1 Introduction
3.2 État de l’art des techniques d’estimation du canal supervisées
3.3 Estimation du canal proposée : allocation dynamique des pilotes (ADP)
3.3.1 Constat
3.3.2 Principe de la technique ADP proposée
3.3.3 Premier cas : canal quasi-statique
3.3.4 Deuxième cas : canal variant dans le temps
3.4 Etude de l’efficacité spectrale
3.5 Synthèse des résultats
3.6 Estimation du canal par filtre de Kalman
3.6.1 Modèle Autoregressif (AR)
3.6.2 Filtre de Kalman
3.6.3 décomposition en valeurs singulières et en QR
3.6.4 Résultats de simulation
3.7 Conclusion
4 Estimation du canal par coopération entre plusieurs utilisateurs 
4.1 Introduction
4.2 Techniques coopératives et de relayage et multiutilisateurs OFDM
4.2.1 Communications coopératives
4.2.2 Protocoles de relayage
4.2.3 Transmission multiutilisateurs OFDM
4.3 Aspect coopératif et multiutilisateurs OFDM
4.3.1 Application au cas du TGV
4.4 Résultats et analyse
4.4.1 Ecart entre pilotes
4.5 Conclusion
Conclusion générale et perspectives
Bibliographie

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